2.2 Тезисы лекционных занятий и планы лабораторных занятий

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

. Структура и задачи экологической генетики как науки

. Генетические методы в анализе устойчивости организмов к факторам окружающей среды

. 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:

1. Генетическую предопределенность экологических отношений.

2. 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.

. Генетические методы в анализе устойчивости организмов к факторам окружающей среды

Основные методы генетики следующие.

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

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

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

. 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.

.        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

. Структура и задачи экологической генетики как науки

. 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

. Виды изменчивости

. Причины возникновения новых признаков организмов

. 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.

. 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.

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

. Виды изменчивости

. 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

. Виды мутаций

. Классификация

. Интенсивность проявления мутаций

. 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.

. 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.

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

. 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.

. 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

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

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

. 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

. Виды мутаций

. Классификация

. 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

. Экогенетическое действие факторов внешней среды

. Наследственно-обусловленные патологические реакции на действие внешних факторов

. Загрязнение атмосферы

. Пищевые вещества и пищевые добавки

. Физические факторы и отравление металлами

. Чувствительность к биологическим агентам

. 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.

. 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.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.

. 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.

Наиболее изученная мутация, обусловливающая реакцию на загрязнение атмосферы, - недостаточность α1-антитрипсина. Этот белок сыворотки крови называют также ингибитором протеиназ. В норме его концентрация повышается при различных физиологических и патологических состояниях (беременность, воспаление, введение эстрогенов). Генетические варианты белка обнаружены во многих популяциях. Различные его формы различаются по антитрипсиновой активности и электрофоретической подвижности (аллели М, S, Z). Неактивность белка обусловлена аллелем Z (репрессивный признак). Частота гомозигот ZZ у европейцев составляет 0,05%, гетерозигот - 4,5%. Лица с наследственной недостаточностью ингибитора протеиназ, если они гомозиготны по данному признаку (генотип ZZ), чрезвычайно склонны к развитию хронических воспалительных заболеваний и эмфиземы лёгких. Последняя у таких лиц развивается в 30 раз чаще, чем в популяции после З0-40 лет, и протекает очень тяжело. Основа этой предрасположенности к эмфиземе ещё не ясна, но полагают, что антитрипсиновая система играет важную роль в ограничении воспалительного процесса. При любых, даже незначительных, повреждениях лёгочной ткани (воспаление, нарушение микроциркуляции) протеолитические ферменты вскоре начинают разрушать измененные участки. В норме включается синтез ингибитора протеиназ, который нейтрализует действие протеолитических ферментов и приостанавливает разрушение. При недостаточной продукции ингибитора протеиназ (мутантный генотип) протеолитические ферменты разрушают поврежденные участки, что и приводит к эмфиземе лёгких. Курение и запылённость воздуха существенно ускоряют развитие эмфиземы. Некоторые авторы описывают и более тяжёлые случаи проявления недостаточности ингибитора протеиназ у детей - поражение печени. Даже у лиц, гетерозиготных по гену недостаточности ингибитора протеиназ (генотип MZ), частота которых в некоторых популяциях превышает 10%, выражены патологические реакции на повышенную запылённость и курение, т.е. повышен риск эмфиземы лёгких. Следовательно, для этой группы лиц необходимо исключить влияние производственных пылевых факторов, чтобы предотвратить развитие эмфиземы лёгких. Методы определения недостаточности α1-антитрипсина разработаны и могут применяться при профессиональных осмотрах и отборах на работу на соответствующих производствах. В среде обитания человека встречается много углеводородов, в том числе полициклических, которые в организме после гидроксилирования арилгидрокарбонгидроксилазой образуют активные эпоксиды. Эта ферментная система у человека хорошо изучена. Для человека характерна широкая вариабельность индукции синтеза того фермента. Три категории людей (с высоким, средним и низким уровнем фермента) рассматриваются как гомозиготы с высоким количеством фермента, гетерозиготы и гомозиготы - с низким. Необходимость этих сведений для понимания химического канцерогенеза очевидна, потому что эпоксиды являются активным и канцерогенными формами полициклических углеводородов. Их канцерогенная активность в сигаретном дыме зависит от относительной активности эпоксидобразующих ферментов, с одной стороны, и систем, разлагающих эпоксиды - с другой. Таким образом, эти соединения являются потенциальными мутагенами и канцерогенами. Например, до З0% больны раком легких относятся к группе с высоким уровнем фермента, а в общей популяции этот признак встречается очень редко. Для лиц, имеющих высокий уровень индукции арилгидрокарбонгидроксилазы, ставится вопрос о прекращении курения и об исключении контакта с углеводородами в профессиональных условиях. Обнаружена генетическая предрасположенность к раку мочевого пузыря. Она связана с мутациями в локусе N-ацетилтрансферазы печени. Под действием этого фермента ксенобиотики ацетилируются и выводятся из организма. По скорости ацетилирования различают три фенотипа: быстрые (гомозиготы по нормальному аллелю), медленные (гомозиготы по мутантному аллелю) и промежуточные (гетерозиготы) ацетиляторы. Рак мочевого пузыря чаще развивается у медленных ацетиляторов. Риск особенно повышается при воздействии факторов среды (курение, производство резиновых изделий, краски).

. Пищевые вещества и пищевые добавки

Определённые пищевые продукты могут вызывать нежелательные реакции у генетически чувствительных индивидов. Один из наглядных примеров - непереносимость лактозы. У лиц с этим дефектом после употребления молока возникают "дискомфорт" в кишечнике и понос. Суть дефекта сводится к отсутствию выработки лактазы в кишечнике, в результате чего лактоза не расщепляется и служит хорошим субстратом для размножения гнилостной микрофлоры. Мутантные формы гена лактазы широко распространены у восточных народов (до 95-100%), среди американских индейцев и афроамериканцев (70-75%). У европейцев частота гомозигот по этим мутациям невелика (5-10%).

Некоторые дети страдают синдромом нарушенного всасывания в связи с непереносимостью глютена (белок пшеницы и других злаков). Это заболевание называется целиакией. Дети начинают тяжело болеть, как только начинается прикорм манной кашей. Без продуктов из пшеницы (хлеб, манная каша) такие дети развиваются нормально. Близнецовым и генеалогическим методами показано значение наследственности в этих реакциях. Предрасположенность к целиакии определяется взаимодействием двух генов, ещё не расшифрованных. Интересно, что имеются сорта пшеницы, которые не вызывают патологических реакций. Они отличаются от других сортов заменой всего лишь одного или нескольких аминокислотных остатков в молекуле глютена.

Конские бобы, употребляемые в пишу, вызывают гемолиз у лиц, имеющих наследственную недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. За гемолизом следует поражение почек, если меры своевременно не приняты. Носители соответствующего гена часто (до 10% и выше) встречаются в районах, где была распространена малярия. Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный признак.

Гетерозиготные женщины встречаются чаще, чем гемизиготные мужчины. Все эритроциты мутантного происхождения у гомозигот ХХ и у гемизигот ХУ чувствительны к провоцирующим факторам - конским бобам, лекарствам, промышленным окислителям. Большая группа лекарств вызывает гемолиз у таких лиц. В полном соответствии с гипотезой М.Лайон, у гетерозиготных женщин может быть разное количественное соотношение нормальных и мутантных эритроцитов (от 1:99 до 99:1). Примерно у 30% гетерозиготных женщин после воздействия провоцирующих факторов наблюдается гемолиз эритроцитов с выраженными клиническими симптомами.

Структурные мутации гена приводят к синтезу аномальной молекулы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Нарушения в этой молекуле изменяют каталитическую активность, кинетические свойства, стабильность и электрофоретическую подвижность. Известно более 200 вариантов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, но развитие патологических реакций обусловливают немногие из них. При наличии аномальной молекулы глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в эритроцитах снижаются связывание кислорода, скорость восстановления метгемоглобина и устойчивость к воздействию различных потенциальных окислителей. При аномальном варианте и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы нарушается основная функция фермента - поддержание стабильности мембран эритроцитов.

Катехоламины, содержащиеся в сыре, у некоторых индивидов могут вызывать мигрень. Это связано с пониженной конъюгацией тирамина. Другой пищевой продукт, провоцирующий мигрень, - шоколад, что объясняется низкой активностью моноаминоксидазы.

Известны специфические реакции людей на алкоголь. У большинства людей монголоидных популяций после употребления малых доз алкоголя наблюдаются немедленное покраснение лица, тахИкардия, жжение в желудке, мышечная слабость и другие признаки отравления. Это врожденное свойство проявляется уже через несколько дней после рождения и сохраняется на всю жизнь, не зависит от привыкания к алкоголю. Данная реакция на алкоголь объясняется наследственными вариациями в молекулах двух ферментов, расщепляющих спирт.

Гены алкогольдегидрогеназы печени представлены тремя полиморфными локусами (АDН-1, АDН-2, АDН-3), альдегиддегидрогеназы - двумя (АLDН-1 и АLDН-2). Установлено, что указанная выше токсическая реакция на малые дозы алкоголя свойственна людям, у которых отсутствует изоформа АLDН-1.

. Физические факторы и отравления металлами

Несмотря на то, что хорошо известна индивидуальная чувствительность к теплу, холоду и солнечному свету, систематических исследований роли наследственных факторов этих особенностей не проводилось.

Четкие расовые различия обнаружены для реакции на холодовой фактор. Например, представители негроидной расы более чувствительны к холоду, чем представители кавказской расы. Это объясняется разным уровнем теплопродукции и расширения сосудов.

Твердо установлены индивидуальные и расовые различия в реакциях на ультрафиолетовое облучение. Крайний пример генетической чувствительности - редкая аутосомно-рецессивная болезнь пигментная ксеродерма: при воздействии солнечного света развиваются ожоги, затем язвенные поражения кожи и, наконец, злокачественные новообразования. Молекулярно-генетический механизм этого явления хорошо изучен. При пигментной ксеродерме поражается репарирующая система, восстанавливающая нормальное строение ДНК после повреждения ультрафиолетовыми лучами Речь идёт о мутациях в нескольких локусах, обусловливающих процессы репарации ДНК (экзо- и эндонуклеазы, полимеразы, лигазы. Эти гены клонированы и хорошо изучены. Возможна преклиническая и дородовая диагностика указанной болезни.

Предполагается, что наследственно обусловленное различие в репарирующих системах может иметь определённое значение в проявления чувствительности к ионизирующим излучениям, но достаточных доказательств этому ещё нет.

В ряде сообщений описывается различная чувствительность к солям тяжелых металлов (свинец, ртуть. кадмий и др.). Например, отравление органическими соединениями ртути вызывает нейропсихические расстройства различной выраженности у разных лиц. Гетерозиготные носители генов цистиноза и анемии Фанкони могут быть предрасположены к токсическому действию металлов или других почечных ядов. Повышенный, хотя и не "токсический", уровень свинца может быть "спусковым крючком" гиперактивного поведения у детей с наследственной предрасположенностью.

. Чувствительность к биологическим агентам

Генетические основы детерминации иммунитета не вызывают сомнений, и неодинаковая выраженность иммунитета у разных индивидов - общебиологическая закономерность. Хорошо известны факты различной чувствительности людей к вакцинации при введении одних и тех же доз препаратов. У некоторых людей появляются клинические проявления инфекции, у других реакция на иммунизацию совершенно отсутствует. Это является следствием генетического полиморфизма реакций на действие внешних биологических факторов.

Первичные иммунодефицитные состояния являются наследственными дефектами клеточного и гуморального иммунитета. Они предрасполагают к бактериальным и грибковым заражениям, причём для разных форм характерны соответствующие типы инфекций (вирусные, бактериальные, грибковые).

Классическим примером наследственной устойчивости к биологическим агентам служат гемоглобинопатии (серповидно-клеточная анемия, талассемия) и энзимопатии (недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы), при которых малярийный плазмодий не может размножаться у мутантных гомозигот и гетерозигот. В связи с тем, что лица с гемоглобинопатиями и недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы устойчивы к малярийному плазмодию, патологические мутации в соответствующих локусах широко распространялись в ряде популяций, проживающих в местностях с высокой заболеваемостью малярией (Африка, Греция, Италия, Филиппины, Азербайджан, Узбекистан).

Все мультифакториальные болезни могут рассматриваться как примеры из экогенетики человека, потому что их развитие является результатом взаимодействия генов предрасположенности и факторов внешней среды.

Мультифакториальные болезни

Мультифакториальная болезнь как определенный фенотип представляет собой результат взаимодействия экспрессии промежуточного фенотипа предрасположенности к определенному заболеванию и накопления в организме последствий специфических для появления фенотипа болезни влияний факторов внешней среды. Предрасположенность к полигенной болезни экспрессируется каким-либо полигенным комплексом или всем геномом. Специфические для экспрессии фенотипа болезни факторы, принадлежащие самому организму или внешней среде, выступают в роли условий возникновения заболевания, которые часто определяют как факторы его риска.

По признаку предрасположенности к полигенной болезни в основной популяции наблюдают ряд плавных переходов от минимальной предрасположенности к ее максимальной выраженности без каких-либо разрывов. Частотное распределение по признаку предрасположенности к мультифакториальной болезни, который проявляет непрерывную изменчивость, соответствует кривой нормального распределения. Под пороговой предрасположенностью понимают тот минимальный ее уровень, при котором кумуляция в организме последствий воздействий условий возникновения болезни (внутренних и внешних) может вызвать фенотип мультифакториального заболевания. Каждый из генов полигенного комплекса, кодирующего генетическую составляющую предрасположенности к полигенной болезни, мало влияет на ее фенотип, но совместно они экспрессируют соответствующий комплекс ее элементов при условии определенного накопления в организме последствий воздействий условий заболевания.

В основе непрерывной изменчивости предрасположенности лежат как различная степень накопления в организме варьирующих по силе, другим характеристикам воздействий внешней среды и присущих самому организму влияний (внутренние и внешние условия заболевания), а также изменчивость генотипа.

По ходу онтогенеза происходит непрерывное усиление предрасположенности к мультифакториальной болезни при условии определенной специфичности действий внутренних и внешних факторов, то есть эффектов условий, специфичных для индукции заболевания.

К наиболее часто встречающимся мультифакториальным болезням относятся: ревматизм, ишемическая болезнь сердца, гипертоническая и язвенная болезни, цирроз печени, сахарный диабет, бронхиальная астма, псориаз, шизофрения и др.

План практического занятия

. Экогенетическое действие факторов внешней среды

. Наследственно-обусловленные патологические реакции на действие внешних факторов

. Загрязнение атмосферы

. Пищевые вещества и пищевые добавки

. Физические факторы и отравление металлами

. Чувствительность к биологическим агентам. Коллоквиум

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

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

Тема 9-10. Генетика устойчивости к факторам среды

. Генетический контроль устойчивости модельных объектов (сельскохозяйственных растений, животных, человека) к неблагоприятным внешним факторам

. Молекулярные болезни человека

. Генетический контроль устойчивости модельных объектов (сельскохозяйственных растений, животных, человека) к неблагоприятным внешним факторам.

Изучение генетического контроля устойчивости модельных объектов, в особенности сельскохозяйственных растений, животных и человека к неблагоприятным внешним факторам имеет большое значение для селекции, медицины и поддержания оптимальной среды обитания человека.

Прежде всего остановимся на так называемых молекулярных болезнях человека. Известны, в частности, наследственные аномалии репликации и репарации ДНК. У человека, например, существуют различные формы болезни пигментной ксеродермы. Это рецессивный аутосомный дефект репарации, в частности дефект ДНК-полимеразы, принимающей участие в репарации. Больные пигментной ксеродермой проявляют повышенную чувствительность к солнечному свету, который вызывает у них рак кожи. Дефекты систем репарации выявлены и при других наследственных заболеваниях (анемия Фанкони, синдром Луи Бар). При радиотерапии таких больных наблюдаются осложнения, часто со смертельным исходом.

В человеческих популяциях обнаруживается генетическая гетерогенность по многим признакам, в том числе по чувствительности к факторам окружающей среды, устойчивости к стрессирующим агентам и условиям вредного производства. Так, у людей с низкой активностью глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы происходит гемолиз при действии сульфаниламидов, а некоторые больные с генетическими дефектами реагируют повышением внутриглазного давления на прием глюкокортикоидов. Некоторые мутантные формы гемоглобина чувствительны к окислителям, что выражается в гемолизе при их применении. Люди с повышенной активностью арилгидрокарбонгидроксилазы чаще заболевают раком легких при контакте с полициклическими углеводородами, которые под действием этого фермента превращаются в эпоксиды, обладающие высоким уровнем канцерогенности.

Такие факты необходимо учитывать при планировании медицинских мероприятий, при приеме людей на работу и их профориентации. Очевидно, что эти факты могут быть причиной и некоторых социально-экономических проблем. Возникают, в частности, такие вопросы. Можно ли допускать дискриминацию при приеме на вредные производства по генетическим противопоказаниям? Каковы должны быть условия страхования людей, имеющих дополнительные факторы риска в виде генетической предрасположенности к тем или иным заболеваниям? Простых ответов на эти и подобные им вопросы пока нет, но не ставить их нельзя.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ

Следует отметить, что загрязнение окружающей среды опасно не только ныне живущему поколению, но часто представляет опасность для грядущих поколений, поскольку многие загрязнители мутагенны (или, что почти то же самое, генетически активны). Выявление и устранение генетически активных факторов из среды обитания человека - задача генетической токсикологии, которая представляет собой наиболее активно развивающийся раздел экологической генетики. Это объясняется ее огромным прикладным значением.

Парадоксально, но факт, что открытие индуцированного мутационного процесса потребовало значительных усилий от исследователей: вспомним, что Г.Дж. Меллер получил Нобелевскую премию за открытие мутагенного действия рентгеновых лучей (1927 год). Теперь же мутагены обнаруживаются на каждом шагу. Многие продукты производственной деятельности человека, появляющиеся как результат так называемого технического прогресса, обладают генетической активностью. При этом мы говорим не только об отходах производства. Это могут быть лекарства, консерванты, пищевые добавки и красители, косметика, инсектициды и пестициды, не говоря уже о дыме сигарет и излучениях, сопровождающих "мирный атом", тем более оружие массового уничтожения - ядерное и химическое.

Что же такое генетически активные факторы? В генетической токсикологии принято говорить не только о мутагенах, но и, более широко, о генетически активных факторах. Не всегда удается определить непосредственно мутагенный эффект того или иного воздействия, но можно показать его влияние на кроссинговер, то есть на рекомбинацию генов или индукцию репаративного синтеза ДНК, сопровождающего многие повреждения генетического материала.

Таким образом, мутагенез, рекомбинагенез и индукция репаративного синтеза ДНК - это показатели генотоксичности или генетической активности исследуемого фактора.

Генетически активные факторы делятся на физические, химические и биологические. К физическим факторам относятся температура, ионизирующая радиация, ультрафиолетовый свет, по-видимому, высокочастотное электромагнитное излучение, ультразвук и т.д. Химические генетически активные факторы гораздо труднее поддаются перечислению и классификации. Достаточно сказать, что к ним относятся любые вещества, прямо или косвенно нарушающие структуру и воспроизведение молекул ДНК. Выхлопные газы автотранспорта и выбросы в атмосферу производственных предприятий содержат алкилирующие соединения (их называют радиомиметиками), органические соединения ртути, полициклические углеводороды, обладающие генетической активностью. Многие химические соединения сами по себе не проявляют генетической активности, но их легко активируют внутриклеточные метаболиты, а иногда и соединения, находящиеся в окружающей организм среде. Например, распространенные соли азотной кислоты легко превращаются в нитриты (соли азотистой кислоты) - мутагены, дезаминирующие основания ДНК. В кислой среде желудка млекопитающих нитриты и аминосоединения дают нитрозосоединения - супермутагены, нарушающие репликацию ДНК. Многие вещества, так называемые промутагены, активируются в организме млекопитающих при действии цитохрома P450 . Этот фермент, синтезируемый в печени, относится к классу неспецифических монооксигеназ и предназначен для инактивации чужеродных соединений, попадающих в организм. Но Р450 вместе с тем способен активировать некоторые промутагены. Более того, он может активировать не только промутагены, но и потенциальные канцерогены - вещества, вызывающие рак. Необходимо отметить высокий уровень корреляции между мутагенным и канцерогенным эффектами многих факторов, прежде всего физических и химических. Биологические факторы в этом отношении исследованы меньше всего.некоторых пор (у нас с 1979 года) все новые химические соединения (а всего их в обиходе более 4,5 млн) проходят проверку на генетическую активность. Это своеобразная служба генетической безопасности, использующая богатый арсенал различных тест-систем для выявления генетической активности. Эти системы позволяют учитывать мутации генов, их рекомбинации, потери и другие аберрации хромосом, нарушения делений ядра, индукцию репарации ДНК и т.д. При этом используются различные объекты: бактерии, дрожжи и другие низшие грибы, плодовая мушка-дрозофила, растения, культура клеток животных и человека.

Наибольший интерес представляет генетическая активность исследуемых агентов для человека. Поскольку прямое исследование их действия на человека невозможно, приходится ограничиваться результатами, получаемыми на модельных объектах. Эти результаты в значительной степени справедливы и для человека из-за биологической универсальности свойств генетического материала - это всегда ДНК. Тем не менее экстраполяция получаемых результатов на человека всегда представляет некоторые сложности, так как наряду с принципом биологической универсальности следует учитывать и специфику объектов, имеющих свои особенности реагирования на мутагены.

В качестве примера расскажем только об одной тест-системе, получившей широкое распространение при первичном выявлении генетической активности. Это система, разработанная в 60-е годы XX века американским исследователем Б. Эймсом, который длительное время изучал мутации в генах, контролирующих биосинтез гистидина у Salmonella typhimuium. Работа Б. Эймса, прекрасный пример того, как первоначально чисто теоретическое исследование, направленное на выяснение структуры и функции гена, приобрела сугубо практическое значение. Имея в своем распоряжении подробно охарактеризованные мутанты сальмонеллы, нуждающиеся в гистидине, зная молекулярную природу мутационных изменений: замены, вставки или выпадения пар оснований в ДНК гена или более крупные перестройки генетического материала, Эймс предложил изучать реверсии гистидиновых мутантов, то есть восстановление у них способности синтезировать гистидин, и, следовательно расти на среде без гистидина в результате воздействия различных мутагенов.

Тест очень прост: достаточно засеять среду без гистидина мутантом сальмонеллы, нуждающимся в гистидине (который естественно не растет на такой среде), и нанести в центр используемой для этого чашки Петри испытуемое химическое соединение. Через 2-3-е суток можно видеть появление колоний мутантов (в данном случае ревертантов) вокруг пятна нанесенного вещества, если оно обладает генетической активностью (рис. 2). Это пример так называемого спот-теста (от англ. spot - пятно). В настоящее время тест Эймса усовершенствован: наряду с хорошо изученными мутациями потребности в гистидине в геном сальмонеллы вводят делецию по одному из генов репарации, то есть инактивируют этот процесс, тем самым повышают чувствительность бактерии к мутагенам. Вводят также мутацию, блокирующую синтез липополисахаридной капсулы для повышения проницаемости клеток, а также плазмиды, повышающие чувствительность клеток к агентам, усиливающим рекомбинацию. Наконец, испытуемое вещество стали наносить вместе с экстрактом мышиной или крысиной печени, содержащим цитохром Р450 для активации промутагенов. Таким образом, тест-системы для выявления генетической активности могут быть далее усовершенствованы и в значительной степени генетическими методами. С применением теста Эймса впервые были показаны мутагенные эффекты: сигаретного пепла, некоторых пищевых консервантов, красителей для волос и т.д.

Генетическая изменчивость популяций человека

Генетические характеристики народов зависят от их истории и образа жизни. Каждая популяция характеризуется своим набором аллелей (некоторые аллели могут быть уникальны для этнической группы или расы) и соотношением их популяционных частот. Генетические различия возникают в изолированных популяциях, не обменивающихся потоками генов (то есть не смешивающихся из-за географических, лингвистических или религиозных барьеров), за счет случайных изменений частот аллелей, а также за счет процессов позитивного и негативного естественного отбора.

Процесс случайного изменения частот аллелей (генетический дрейф) без действия каких-либо других факторов обычно не приводит к значительным изменениям генетических характеристик популяции. Значительные изменения частот аллелей могут возникать при сокращении численности популяции или отселении небольшой группы, которая дает начало новой популяции (эффект "бутылочного горлышка" или "эффект основателя"). С "эффектом основателя" связывают повышенную частоту болезнетворных мутаций в некоторых этнических группах. Значительные генетические изменения возникают в результате отбора, действующего на популяции человека.

Всякий новый вариант гена (аллель) возник когда-то в результате мутации, того или иного изменения последовательности нуклеотидов. Мутации постоянно появляются в ДНК, и человек не отличается в этом отношении от других видов. По современным представлениям, большинство мутаций нейтральны, то есть никак не сказываются на жизнеспособности своих носителей. К адаптивным относится лишь небольшая часть генетических изменений, и адаптивная ценность тех или иных аллелей может существенно варьировать в зависимости от условий среды.

Все люди обладают общими генетическими характеристиками и несут мутации, накопленные в процессе антропогенеза, - мутации генов, которые "делают нас людьми" (Gibbons 1998; Ebersberger et al. 2002). Однако процесс накопления генетических изменений продолжался и после формирования человека как вида и привел к тому, что различные этнические или географические группы отличаются друг от друга по спектру мутаций (аллелей) и/или по частотам тех или иных аллелей. Часть этих различий связана с адаптацией популяций человека к различным факторам среды, включая и те условия жизни, которые возникли в результате развития цивилизации. Именно эти генетические различия между популяциями человека будут рассмотрены в следующем разделе.

Генетическая адаптация к типам питания

Очевидно, что пищевые традиции народа и генетические факторы взаимодействуют. Употребление тех или иных видов пищи становится возможным лишь при наличии определенных генетических предпосылок (как в упомянутом выше случае, когда наличие мутации в гене лактазы сделало возможным употребление молока не только детьми, но и взрослыми). Впоследствии ставшая традиционной диета действует как фактор отбора, приводя к изменению частот аллелей и распространению в популяции тех генетических вариантов, которые наиболее адаптивны при данной диете. В частности, частота мутации в гене лактазы наиболее высока в том регионе Европы, в котором наиболее интенсивно велось молочное животноводство.

Отсутствие фермента трегалазы, расщепляющей трегалозу (углевод грибов), видимо, является причиной того, что некоторые северные народы не употребляют грибы в пищу, так как в отсутствие этого фермента употребление грибов приводит к расстройству пищеварения.

У эскимосов при традиционном питании норма потребления мяса составляет до 2 кг в день. Переваривание такого количества мяса возможно при сочетании определенных культурных (кулинарных) традиций, микрофлоры определенного типа и наследственных физиологических особенностей пищеварения. Генетические детерминанты этих особенностей пока неизвестны.

Описана генетическая особенность, распространенная у жителей Эфиопии и Саудовской Аравии. Значительная часть этих популяций (20-30 %) способна быстро метаболизировать некоторые пищевые вещества и лекарства, в частности амитриптилин, благодаря наличию у них двух или более копий гена цитохрома P4502D. Цитохромы этой группы отвечают за метаболизм определенных веществ, поступающих с пищей. У народов других регионов удвоение гена цитохрома встречается с частотой не более 3-5 % и распространены неактивные варианты гена (от 2-7 % - у жителей Европы, до 30 % - в Китае). Предполагают, что увеличение числа копий гена в Эфиопии связано с особенностями диеты (возможно, употреблением в пищу больших количеств съедобного растения теф, составляющего до 60 % продуктов питания эфиопов).

Взаимодействие генетических, культурных и природных факторов можно проиллюстрировать на примере исследования риска развития гепатоцеллюлярной карциномы в Судане. Гепатоцеллюлярная карцинома - один из широкораспространенных во всем мире видов рака. Показано, что фактором риска рака в Судане является потребление орехового масла (пищевой фактор), причем риск этот значителен для регионов с высокой влажностью (климатический фактор), где при хранении орехов высока вероятность их контаминации афлотоксинами. Заболевают раком преимущественно индивиды с низкой активностью одного из ферментов метаболизма ксенобиотиков - глутатион-метионин трансферазы, кодируемой геном GSTM1 (генетический фактор).

"Экономичные" гены и болезни цивилизации

Диабет, ожирение, гипертония, атеросклероз и другие широкораспространенные в высокоразвитых обществах болезни связаны с избыточным потреблением углеводов, жиров, соли и недостаточной физической активностью. При этом существует генетическая предрасположенность к развитию этих заболеваний. Некоторые генетические особенности повышают риск развития диабета или атеросклероза. Для ряда генов показано, что генетическими факторами риска таких заболеваний являются исходные, предковые аллели, тогда как производные аллели, эволюционно более молодые, могут проявлять протективное действие. Это соответствует гипотезе об "экономичном" ("thrifty") генотипе. Гипотеза основана на предположении, что человек генетически адаптирован к образу жизни охотника-собирателя (кем он, собственно, и был на протяжении сотен тысяч лет своей эволюции). В условиях низкохолестериновой, низкоуглеводной, низкокалорийной и бессолевой диеты, сочетавшейся с высокой физической активностью, выгодны были "экономичные" гены, обеспечивавшие эффективное поглощение и утилизацию этих питательных веществ. "Экономичные" аллели, бывшие адаптивными в прошлом, стали факторами риска "болезней цивилизации" при переходе к современным условиям жизни. В модернизированных обществах частота этих аллелей снизилась, и они уступили место эволюционно более молодым аллелям-"транжирам" (Sharma 1998). Рассмотрим более подробно возможные факторы изменения частот "экономичных" аллелей в популяции.

Ген аполипопротеина Е (APOE) участвует в регуляции уровня холестерина крови. Один из его аллелей, называемый APOE*e4, ассоциирован с повышенным уровнем холестерина и рассматривается как "экономичный" (Mahley, Rall 2000; Corbo, Scacchi 1999). Этот аллель APOE*e4 является фактором риска болезни Альцгеймера и сердечно-сосудистых заболеваний у жителей Европы и евроамериканцев. Однако у племен суб-Сахарской Африки этот аллель не является фактором риска и не ассоциирован с высоким уровнем холестерина. У афроамериканцев ассоциация наблюдается, однако более слабая, чем у евроамериканцев. Это свидетельствует о разном проявлении одного и того же аллеля в различных условиях среды и на различном генетическом фоне. Частоты аллеля APOE*e4 варьируют от 5-15 % у большинства европейских народов до 40 % - у автохтонных народов Африки, Австралии и Америки. Можно полагать, что APOE*e4, являющийся более древним, предковым аллелем, был вытеснен в популяциях с производящим хозяйством более молодыми производными от него аллелями APOE*e3 (ассоциированным со средним уровнем холестерина) и APOE*e2 (ассоциированным с низким уровнем холестерина). При этом маловероятно, что болезнь Альцгеймера или сердечно-сосудистые заболевания были факторами отбора, так как эти заболевания проявляются в пострепро-дуктивный период. Вероятно, какой-либо другой признак, ассоциированный с этими аллелями и повышающий выживаемость в дорепродуктивный период, опосредовал действие естественного отбора.

Сходные наблюдения относятся к аллелю гена ангиотензиногена AGT. Ген AGT участвует в регуляции солевого обмена. "Экономичный" аллель гена ангиотензиногена AGT*235T ассоциирован c эссенциальной гипертензией (Sharma 1998). Возможная роль "экономичных" аллелей в адаптации к земледелию рассмотрена в обзоре.

Генетика устойчивости к инфекционным заболеваниям

Наиболее известным примером устойчивости к инфекциям является распространение наследственной болезни крови серповидноклеточной анемии в зоне распространения малярии. Серповидноклеточная анемия вызывается мутацией в гене гемоглобина, приводящей к нарушению его функций. Форма эритроцитов у больных напоминает серп, из-за чего болезнь получила свое название. Носители мутации более устойчивы к малярии. В зонах распространения малярии наиболее адаптивно гетерозиготное состояние. Хотя малярия не является созданием рук человеческих, распространение ее связано с антропогенными изменениями ландшафтов в результате распашки земель.

Аналогичным примером является муковисцидоз - наследственное заболевание, вызываемое мутациями в гене CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator). Заболевают дети, у которых затронуты мутациями гены на обеих гомологичных хромосомах. До недавнего времени больные были неизлечимы, потомства не оставляли, обычно погибая в раннем детстве. При наличии у человека только одной мутации он остается здоровым. Предполагается, что гетерозиготные носители мутации более устойчивы к кишечным инфекциям, являвшимся на протяжении многих столетий частой причиной смерти детей.

Эти примеры показывают, что платой за повышение приспособленности гетерозигот может быть гибель гомозигот по болезнетворной мутации, неизбежно появляющейся при повышении популяционной частоты мутаций.

Генетические изменения, сопровождающие антропогенные преобразования среды

Распространенность определенных генетических детерминант в популяции может делать более вероятным развитие тех или иных культурных особенностей (требующих генетической адаптации), аналогично тому, как наличие определенных аллелей делает возможным освоение новых климатических зон. Например, показано, что русское население Севера по частотам некоторых аллелей отличается от русских центрального региона и приближается к частотам, характерных для аборигенного населения (Спицин 1985). Речь идет о вариантах, важных для адаптации к холодному климату. Носители дезадаптивных генетических вариантов плохо себя чувствуют, чаще болеют, проживая в холодном климате, и с большей вероятностью уезжают. Таким образом, данная экониша "отбирает" соответствующие ей генотипы, но не за счет дифференцированной смертности или различий в репродуктивном успехе, а за счет отъезда неадаптированных особей.

Часть социально и природно детерминированных факторов, например изменения климата или постепенный переход от собирательства к земледелию, может вызывать медленные (на протяжении десятков и сотен поколений) изменения генофонда популяций, на 2-5 % за поколение. Тогда как действие других факторов (эпидемий, часто связанных с войнами и социальными кризисами), вероятно, может в несколько раз изменить частоты аллелей в популяции на протяжении жизни одного поколения. Так, распространение в Европе некоторых вариантов генов, ассоциированных с устойчивостью к инфекциям, связывают с "черной смертью" - эпидемией чумы или другими эпидемиями (Stephens et al. 1998). При гибели до 80 % населения (а в ряде районов смертность от эпидемий достигала такого уровня) частота аллеля может измениться в 5 раз. До появления больших городов и достижения эпидемического порога численности населения такие крупномасштабные "раунды отбора" на устойчивость населения к инфекциям вряд ли были возможны.

Демографические изменения могли сказаться на манифестации некоторых генетических особенностей. Так, репродуктивные циклы женщин в индустриализованных странах и традиционных обществ отличаются. По сравнению с женщинами догонов у американских женщин раньше наступает менархе (12,8 по сравнению с 16,1 годами), позже происходят первые роды (16,0 лет по сравнению с 19,5), короче период грудного вскармливания ребенка (3 месяца по сравнению с 30 у догонов) и меньше число родов (в среднем 1,8 детей по сравнению с 5,0). Общее число менструальных циклов за время жизни у женщин западной культуры составляет около 400, тогда как у охотников-собирателей и ранних земледельцев - немногим больше 100. Увеличение числа менструальных циклов, во время которых овариальные гормоны стимулируют деление клеток в тканях репродуктивной системы и грудной железы, повышает риск появления мутаций, ответственных за злокачественную трансформацию клеток, и тем самым увеличивают риск развития рака у женщин (Strassmann and Dunbar 1999). Известны мутации, связанные с семейными формами рака груди и яичников, однако изменение их проявления в обществах различных типов пока не изучено.

Генетические изменения могут быть связаны и с изменением адаптивной ценности некоторых психологических и поведенческих особенностей людей различных обществ. По некоторым прогнозам, депрессия в XXI займет одно из первых четырех мест как причина потери работоспособности. Одной из причин увеличения частоты депрессий в вестернизованных обществах может быть утрата индивидом поддержки родовой группы. В ряде исследований показано, что с разрушением системы родовой поддержки снижается выживаемость детей, повышается риск развития заболеваний. Разные страны существенно различаются по частоте депрессии (европейские - в 5 раз), в отличие от шизофрении, частота которой примерно одинакова (Maynard Smith 1999). Можно предположить, что общества с развитой сетью родственных отношений и общества более индивидуалистичные могут отличаться по генетическим характеристикам, имеющим отношение к депрессии. Генетическая детерминация депрессии довольно велика (30-40 %) (Malhi 2000; McGuffin et al. 2001). Хотя выявлены некоторые гены, ассоциированные с этим заболеванием (гены транспортера серотонина HTT, катехол-о-метил трансферазы COMT), говорить о том, что генетические факторы риска развития депрессии изучены, преждевременно. Однако несомненно, что такие факторы будут выявлены в неотдаленном будущем.

Таким образом, из сказанного выше ясно, что при изменении хозяйственно-культурного типа общества и повышения уровня его социокультуры оно формирует такую среду обитания, адаптация к которой требует генетических изменений популяций. Во всех сложных обществах развито земледелие и животноводство, а это означает определенные изменения диеты по сравнению с охотниками-собирателями. От одомашненных животных человек получил десятки возбудителей инфекций. Все сложные общества имеют высокую плотность населения и развитые технологии хранения и перераспределения продуктов, а эти факторы требуют устойчивости к инфекциям. По мере усложнения социальной иерархии могут меняться и требования к поведению индивидов, что также может быть связано с определенными генетическими изменениями. Сложные и простые общества различаются по частотам аллелей некоторых генов, связанных с регуляцией поведения, например по аллелям гена DRD4 (Ding et al. 2002); при этом показано, что различия эти появились в результате действия отбора, однако фактор отбора пока неизвестен.

. Молекулярные болезни

Все наследуемые признаки человека записаны с помощью генетического кода в макромолекулярной структуре ДНК. Двойная спираль ДНК, взаимодействуя со щелочными белками (пистонами), образует сложную надмолекулярную структуру - хромосому. Каждая хромосома содержит одну непрерывную молекулу ДНК, имеет определенный генный состав и может передавать только ей присущую наследственную информацию. Хромосомный набор (кариотип) человека включает 22 пары аутосом и 2 половые - XX или ХУ - хромосомы.

Несмотря на сложившуюся в процессе эволюции значительную стабильность генетического материала и наличие ДНК-репарирующих ферментов (энзимов, исправляющих ошибки репликации ДНК), под влиянием различных физических (ионизирующая радиация, ультрафиолетовые лучи), химических (алкирующие и другие соединения) и биологических (вирусы) факторов возможны изменения структуры ДНК - мутации. Учитывая наличие в геноме эукариот мигрирующих нуклеотидных последовательностей и транспозонов, под мутацией следует понимать изменение структуры ДНК, незапрограммированное в геноме и имеющее фенотипическое выражение.

Мутации в половых клетках фенотипически проявляются в виде наследственного предрасположения или наследственного заболевания. Наследственная предрасположенность - это генетически обусловленная повышенная подверженность какому-либо заболеванию, которая реализуется в определенных условиях среды. О наследственной болезни говорят в том случае, когда повреждение ДНК проявляется без дополнительного воздействия факторов среды. Все наследственные болезни человека подразделяются на две группы: молекулярные болезни, имеющие в своей основе точечный дефект на нити ДНК, и хромосомные, для которых характерно более грубое повреждение генетического материала.

Молекулярные болезни - обширная группа заболеваний, природа которых связана с повреждением отдельных генов. Сейчас известно более 2500 молекулярных болезней. Причиной данной патологии являются генные (точечные) мутации, т. е. изменения последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Характер патологии зависит от локализации повреждения на нити ДНК. В генетическом аппарате эукариот имеются функционально различные участки: промотор - небольшая зона ДНК, узнающаяся РНК-полимеразой и факторами инициации транскрипции, регуляторные участки - энхансеры (усилители) и сайленсеры (ослабители) транскрипции, зона терминации транскрипции, а также структурные гены, определяющие последовательность аминокислот в молекуле белка. Большинство генов эукариот имеет прерывистую структуру: последовательности нуклеотидов, кодирующие белок (экзоны), чередуются с участками, не несущими информации (интроны). В ядре синтезируется про-м-РНК-копия всего гена. Далее здесь же в ядре все несмысловые участки вырезаются, а концы кодирующих последовательностей соединяются. Этот процесс назван сплайсингом. В одном и том же гене сплайсинг может протекать разными способами (альтернативный сплайсинг), т. е. под контролем одного гена в принципе могут синтезироваться несколько полипептидов с различной аминокислотной последовательностью.

Реализуется сплайсинг с помощью специализированных ферментов, а также за счет аутокатализа, когда роль фермента (рибозима) выполняет сама про-м-РНК.

Мутации, затрагивающие область промотора или регуляторные участки, приводят к изменению количества синтезируемого белкового продукта, но сам белок остается неизменным. Мутации структурного гена ведут к изменению первичной структуры белка. Мутация в области интрона может остаться без последствий, однако изменение сигнальной последовательности нуклеотидов на границе экзона и интрона может привести к нарушению процесса аутосплайсинга.

При мутации экзонов возможны следующие патологические изменения:

) при мутации со "сдвигом рамки" может синтезироваться белок с резко измененной структурой и нарушенной функцией;

) мутация может превращать бессмысленный (терминаторный) триплет в смысловой - синтезируется полипептидная цепь большей длины, чем в норме;

) мутация может превращать смысловой триплет в терминаторный - происходит синтез укороченной полипептидной цепи;

) мутация может приводить к изменению смысла кодона, что вызовет замену аминокислоты в полипептидной цепи.

Нарушение работы ферментов сплайсинга и рибозимов фенотипически проявляется также как мутация структурного гена.

Важным этапом в реализации генетической программы является посттранскрипционная модификация м-РНК. К одному концу м-РНК присоединяется отрезок поли-А, состоящий из 50 - 200 идениловых нуклеотидов. Другой конец м-РНК подвергается кэпированию, т. е. соединяется с химической группировкой, содержащей метилгуанозин. Нарушение этих процессов приводит к сокращению времени жизни м-РНК, к ее быстрому разрушению нуклеазами и, следовательно, невозможности трансляции генетической информации.

Вышедшая из ядра м-РНК соединяется с цитоплазматическими белками с образованием нуклеопротеидных частиц - информосом. При патологии информосом нарушается регулируемое поступление м-РНК в белоксинтезирующую систему.

Таким образом, основу молекулярных болезней составляет нарушение синтеза различных белков организма. Патология может касаться структурных, транспортных, рецепторных, антигенных белков, но чаще всего страдают белки-ферменты и большинство молекулярных болезней носит характер энзимопатий. Если в результате мутации изменен активный центр фермента - нарушается его каталитическая активность и сродство к субстрату; если затронут аллостерический центр - нарушается регуляция активности фермента метаболитами и гормонами.

Для диагностики наиболее распространенных энзимопатий используются простые экспресс-методы - так называемые скрининг-тесты (скрининг - просеивание). Скринирование энзимопатий основано на определении активности аномального фермента, изучении количества конечных продуктов реакции и предшественников, а также на выявлении необычных продуктов обмена в биологических жидкостях.

При хромосомных болезнях и синдромах световая микроскопия позволяет выявить изменения хромосомного набора либо в виде анэуплоидий, т. е. изменения числа аутосом (болезнь Дауна, синдромы Эдвардса и Патау) или половых хромосом (синдромы Клайнфельтера, Шерешевского - Тернера, трисомии-Х), либо в виде изменения структуры хромосом (делеции, дупликации, инверсии, транслокации). Причиной анэуплоидий является нерасхождение хромосом в процессе митоза или мейоза. Замечено повышение частоты нерасхождения с увеличением возраста матери.

В настоящее время описано более 100 различных хромосомных синдромов. Около 50 % всех случаев спонтанных абортов связаны с аномалиями хромосом. При этом хромосомные дефекты, унаследованные от предыдущих поколений, составляют лишь 1,3 % среди спонтанных абортов и 5,9 % среди мертворождений. Следовательно, чаще всего хромосомные аберрации являются результатом первичного нарушения гаметогенеза в родительском организме или появляются в процессе развития зародыша.

Для диагностики хромосомных болезней проводят исследование хромосомного набора человека (кариотипа), а также определяют Х- и Y-половой хроматин, что позволяет обнаружить изменение числа половых хромосом в кариотипе. Важным экспресс-методом диагностики хромосомных болезней является исследование дерматоглифического фенотипа - наследственных особенностей кожного рисунка.

План практического занятия

. Генетический контроль устойчивости модельных объектов (сельскохозяйственных растений, животных, человека) к неблагоприятным внешним факторам

. Молекулярные болезни человека

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

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

Тема 11-12. Генетический мониторинг популяций человека и охрана генофонда при действии мутагенов среды

. Природные популяции как исторически сложившиеся стабильные популяционные системы

2. Генетический мониторинг популяций человека при действии мутагенов среды

1. Природные популяции как исторически сложившиеся стабильные популяционные системы

Комплекс условий среды складывается из отдельных параметров - т.н. экологических факторов (компонентов среды). По своей природе их можно разделить на два типа:

абиотические факторы, куда входят основные физические характеристики среды, например такие, как температура, влажность, топография и особенности ландшафта, геохимические свойства местности и т.п. Совокупность таких условий в данном пункте Земли называют экологической зоной, или биотопом;

биотические факторы - все те воздействия, которые могут быть связаны с популяциями других существ, с которыми человек сосуществует на данной территории. Эти т.н. симпатрические виды служат нам источником пищи, выступают в качестве наших конкурентов или даже хищников. Некоторые из них являются возбудителями или переносчиками инфекций, другие могут уничтожать наши урожаи, разрушать жилище и т.п. Наконец, третьи только тем и живут, что "борются за наше здоровье и урожай". Совокупность всех этих организмов, обитающих на одной территории и взаимодействующих на трофическом и пространственном уровне, называют биотическим сообществом (аналогичные понятия - биоценоз и биом).

Вместе эти разнородные компоненты функционируют как единый комплекс, они составляют т.н. биогеоценоз (экосистему) - т.е. сообщество организмов и окружающей их физической среды, взаимодействующих и образующих отдельную экологическую единицу. Биогеоценоз представляет собой функционально единую и сбалансированную систему - организмы, населяющие экологическую зону, как правило, способны к длительному существованию при отсутствии дополнительных источников вещества и энергии.  Представители каждой популяции выполняют в этой системе определенные "функции" и занимают свое особое положение относительно других биологических объектов - т.н. экологическую нишу. Человек не является в этом отношении исключением. Естественно, для каждого организма понятие "окружающая среда" включает в себя других представителей той же популяции, с которыми он находится в генетических и социальных отношениях.  Экзогенных факторов можно выделить очень много. На первый взгляд кажется даже, что оценить их воздействие на данный интересующий нас объект в принципе невозможно. Но компоненты среды отличны не только по своей природе, они имеют разную силу воздействия и разную значимость для функционирования популяции или ее отдельных представителей. Так, ряд факторов оказывает настолько незначительное воздействие на организм, что в исследовании ими можно пренебречь. Бывает, что тот или иной необходимый организму компонент всегда имеется в достаточном, а вернее сказать - в оптимальном количестве, и никак не ограничивает существование нашего объекта или сообщества. Для экологии особый интерес представляют т.н. лимитирующие (или ведущие) факторы - ключевые изменчивые параметры среды, прямо или опосредовано влияющие на жизнеспособность и стабильность индивидов, популяций и в целом сообществ.  Сочетание экзогенных условий уникально в каждом географическом пункте планеты. Но, несколько упростив картину, всю территорию Земли можно разделить на небольшое число экологических зон - типов среды, характеризующихся определенным сочетанием ключевых параметров. В таком мировом масштабе отдельные климатические зоны распределяются в соответствии с широтой местности и ее топографией (в частности, высотой над уровнем моря). Вместе с ними закономерно распространяются и наиболее крупные экосистемы планеты. Карта описывает области, занятые современными биомами. Но нам хорошо известно, что в течение всего времени эволюции человека климат и топография планеты претерпевали глобальные изменения. В соответствии с этими климатическими и геологическими процессами меняется и распространение основных биотических сообществ.  Наконец, непрерывно развиваются и сами экосистемы. Это динамичные образования - одни виды, входящие в состав их биотического компонента вымирают, другие приспосабливаются к сложившейся новой ситуации. Такая смена одних видов другими, происходящая за некоторый период времени в пределах экосистемы получила название экологической сукцессии. Финальной стадией этого процесса обычно является т.н. климаксное сообщество - устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии с данной средой. Появление нового фактора закономерно приводит к новой сукцессии.  Все эти изменения идут и в современном мире: продолжается межледниковье (интерстадиал), тектонические плиты не останавливают свое движение, высятся новые горные системы и разрушаются старые… Да и мы с вами со своими городами, мусором, полями, нефтью и парниковым эффектом и т.п. представляем мощнейший экологический фактор (т.н. антропогенный фактор), к которому сами же никак не успеваем приспособиться.  "Все течет, все изменяется". Представление о непрерывности изменения среды - важнейший момент в изучении хода приспособительных процессов и самого биологического разнообразия современного человека.

Мы примерно поняли, что взаимодействие в системе "организм-среда", на самом деле, выстраивается во вполне последовательную схему: изменение экзогенных факторов среды -> приспособление к новым условиям -> экологическая изменчивость. Основным звеном взаимодействия в этой схеме является процесс приспособления.

К сожалению, приспособление, или адаптация (от лат. adaptatio - прилаживание, приспособление) - понятие, имеющее в науке несколько разные оттенки:

во-первых, под адаптацией часто подразумевается сам процесс, в ходе которого организм приспосабливается к условиям окружающей среды, изменяя свое строение и функции (адаптация = процесс приспособления);

второе значение термина отражает степень соответствия между организмом и средой. Здесь адаптация рассматривается как "оценка" достигнутого в данный момент результата приспособления, протекающего в конкретном местообитании (биотопе) и в соответствующем сообществе (биоценозе) (адаптация = результат приспособления).

Об этих терминологических значениях важно помнить, изучая литературу или проводя исследования. Они же могут привести нас к ряду выводов.  Первый из них состоит в том, что адаптивный эффект достигается посредством изменения целого ряда характеристик: биохимических, физиологических, морфологических и поведенческих.

Так, к высокой температуре среды человек может приспособиться при помощи следующих реакций:

уменьшения вязкости крови (биохимические изменения);

повышения вентиляции легких или потоотделения (изменения физиологические);

увеличения относительной поверхности тела или его частей (т.е. морфологическая адаптация);

Кроме того, можно постоянно находиться в тени, сидеть в воде, снизить свою двигательную активность и т.п. (адаптация путем непосредственных поведенческих реакций). Наконец, еще есть такая штука, как вентилятор, кондиционер и т.п. Все эти разнородные варианты в равной степени могут выступать как приспособительные по отношению к конкретному ведущему фактору среды. Адаптация в таком случае может рассматриваться как стратегия выживания, направленная на решение новых "задач", которые ставит перед организмом среда (адаптация = стратегия выживания).

Если говорить только о сфере биологии, то возникает еще два вывода:

приспособление может быть генетически детерминированным явлением, возникающим в ходе естественного отбора по данному ведущему фактору - в результате избирательной смертности одни генотипы (менее приспособленные к данному фактору) элиминируются, другие, напротив, имеют больше шансов закрепиться в популяции. В таком виде явление адаптации обусловлено генетически и представляет собой длительный исторический процесс, затрагивающий ряд поколений;

приспособление может быть результатом непосредственной фенотипической или поведенческой реакцией, возникающей в ответ на тот же фактор в течение короткого времени (например, в течение жизни).

В первом случае имеет место генотипическая адаптация, связанная с "направленным" изменением генных частот в популяции - по сути, экологическое проявление естественного отбора (адаптация " отбор).  Во втором случае, когда речь идет о быстрых изменениях биологических свойств, мы имеем дело с адаптацией на уровне фенотипа. Это индивидуальные обратимые или необратимые фенотипические изменения, никак не затрагивающие частоту генов, связанных с развитием данного адаптивного признака (тем не менее, к изменению общего популяционного генофонда и эта адаптация имеет самое прямое отношение).  Все мы регулярно, что называется "на собственной шкуре", испытываем такие быстрые или "краткосрочные" фенотипические изменения. Так, большая часть нашей возрастной и конституциональной изменчивости под определенным углом зрения представляет собой не что иное, как пример адаптации на уровне фенотипа. Конечно, можно привести и другие случаи, например - явления акклиматизации и физиологического стресса.

Под акклиматизацией (от лат. ad - к, для; греч. klima - климат) понимается процесс активного приспособления организма к непривычным для него климатическим условиям. Это комплекс быстрых фенотипических реакций, связанных в первую очередь с изменением показателей обмена веществ. Физиологические реакции регулируются на рефлекторном и нейрогуморальном уровне, а степень изменений определена индивидуальной нормой реакции.  Куда бы мы с Вами ни приехали (скажем, отправились в горы, в поход, или просто на курорт), в первые дни почти однозначно изменится наше артериальное давление, возникнет ощущение сонливости, нарушится аппетит, изменится температура, скорее всего, "сыграет на понижение" масса тела и т.п. В общем, произойдет ряд неспецифических изменений, связанных с общей реакцией организма на раздражение. Если смена климатических условий была резкой, у особо чувствительных людей могут происходить очевидные психологические срывы, появляются различные недомогания (головные боли, вялость, разбитость), нервные, сердечно-сосудистые расстройства и пр. Могут резко обостряться хронические заболевания, такие как гипертоническая болезнь, стенокардия, ревматизм, туберкулёз и т.п. Механизм развития таких адаптивных изменений можно описать используя знакомую Вам концепцию физиологического стресса.

Согласно этой концепции совокупность защитных реакций, возникающих в организме при действии значительных по силе и продолжительности внешних и внутренних раздражителей можно назвать адаптивным синдромом. Эти реакции способствуют восстановлению нарушенного равновесия функций организма и направлены на поддержание постоянства его внутренний среды (гомеостаза). Все самые разнообразные факторы, вызывающие развитие адаптивного синдрома называют стрессорами (стрессогенными факторами), а развивающееся при их действии состояние организма - стрессом (от англ. stress - напряжение). Общими признаками начала этого процесса являются увеличение коры надпочечников и усиление их секреторной активности, уменьшение вилочковой железы, селезенки и лимфатических узлов, изменение состава крови, общая разбалансировка обменных процессов организма (причем преобладают процессы распада), ведущие к похуданию, падению кровяного давления и т.п.

Весь процесс можно разделить на 3 стадии:

стадия тревоги (шок ® противошок) - продолжается обычно от 6 до 48 часов. На этой стадии организм быстро перестраивается, основные показатели разбалансированы, начинается приспособление к новым условиям;

стадия резистентности - этап повышенной устойчивости организма к различным воздействиям. К концу этой стадии состояние организма нормализуется, физиологические показатели стабилизируются, и достигается новое состояние устойчивого равновесия (например, если речь идет о развитии болезни, то происходит выздоровление). Организму удается вполне успешно приспособиться к сложившейся ситуации;

наконец, если действие раздражителей велико по силе и(или) продолжительности, то наступает стадия истощения, которая может завершиться гибелью. Организму не удается приспособиться к действию данного стрессора.

Это общий механизм. Но ряд физиологических показателей будут вести себя совершенно специфическим образом в зависимости от сочетания конкретных стрессогенных факторов - тех условий, в которых мы оказались.  Например, в условиях высокогорья климат отличается пониженным атмосферным давлением, интенсивной солнечной радиацией, повышенной ионизацией и низкой температурой воздуха - это ведущие факторы данного экологического региона. Уменьшение парциального давления кислорода в альвеолярном пространстве вызывает гипервентиляцию легких и возрастание минутного объема сердца. Происходит увеличение числа эритроцитов и содержания гемоглобина в крови. Чтобы снизить опасность высотной болезни, поднимаясь в горы, нам приходится делать регулярные более или менее длительные остановки (от нескольких дней до нескольких недель).  Присмотревшись к представленным картинкам, Вы заметите, что после резкого изменения значения того или иного физиологического показателя, он стабилизируется на каком-то новом качественном уровне. Этот уровень наш организм "считает" наиболее адекватным данной экологической ситуации. Такой уровень варьирует, но в общих чертах сохраняется до тех пор, пока мы не окажемся в новых условиях (скажем, вернемся из нашей поездки домой). Состояние оптимума или равновесия в данной среде достигается обычно только на 1-3 годы жизни - человек все меньше замечает дискомфорт.  Установлено, что направление приспособительных реакций в типе обмена веществ и других физиологических признаках у приезжих лиц совпадает с характеристиками, типичными для коренного населения тех регионов, в которых, собственно, происходит. В качестве примера возьмем те же условия высокогорья.  Разница между пришлым и местным населением заключается в том, что даже после успешной акклиматизации организм мигрантов будет работать на износ и совершать "подвиг каждый день". Условия по-прежнему остаются для нас чужими. Устанавливается временное приспособление (фенотипическое) - это баланс на грани возможностей организма, его нормы реакции. Местное, т.н. коренное население адаптировано не только на фенотипическом, но и на генетическом уровне, а его норма реакции наилучшим образом соответствует данным условиям, которые для него наиболее обычны - комфортны (адаптация = изменение нормы реакции). "Утешает" лишь то, что если представители такой группы приедут к нам в гости, коренным населением окажемся уже мы с Вами. В нашей "комфортной" среде они будут чувствовать себя примерно так, как мы чувствовали себя у них в гостях.  Ясно, что наиболее быстрый и оптимальный акклиматизационный эффект достигается при наибольшем сходстве морфофизиологических особенностей пришлого и коренного населения, а наибольшего напряжения механизмов адаптации требует акклиматизация в экстремальных условиях среды.

Наш собственный способ адаптации: среда-культура-человек

Все те способы приспособления, о которых мы говорили, в равной степени "используются" и человеком, и другими представителям живой природы. Но человек вряд ли освоил столь разнообразные типы среды, сделав это так быстро и эффективно, если бы шел только по пути биологической адаптации. Особенность человека - постоянный поиск новых форм приспособления путем изменений в социальной организации и хозяйственно-культурной сфере. Очень многие элементы нашей духовной и материальной культуры могут рассматриваться как непосредственные приспособительные черты, помогающие (или помогавшие когда-то) уменьшить влияние многих экзогенных факторов, а вместе с ними снизить давление естественного отбора. Культура (в широком понимании) - это наш собственный "человеческий" способ адаптации к среде, причем способ очень мобильный, динамичный и в смысле выживания человека весьма эффективный.  Среда, безусловно, оказывает влияние на развитие культуры. И наоборот, именно посредством культуры человек воздействует на среду своего обитания - модифицирует её.

Упрощая картину, можно выделить два соподчиненных между собой уровня адаптации: биологический и социальный (небиологический). При таком подходе в понятие "приспособление" входят:

собственно биологические изменения, происходящие на разных уровнях организации человека (индивидуальном, популяционном и т.п.);

всевозможные приспособления на уровне небиологических систем (духовная и материальная культура, индивидуальное и социальное поведение).

Описанная ситуация и сама идея рассматривать культуру как адаптивное свойство человека настолько понятны, что развивать их дальше не стоит. Важнее подчеркнуть, что процесс биологической адаптации находится в постоянном и сложном взаимодействии с изменениями в культурной и социальной сфере, а для каждой конкретной группы человека значение того или иного составляющего элемента общего процесса различно. Вполне возможно, что такое разделение единого процесса приспособления на составляющие в принципе некорректно.  Небиологическая "адаптация" вовсе не универсальна. Чаще всего культурные системы сглаживают давление окружающей среды на организм человека, но они же могут многократно усиливать существующий стресс или продуцировать новые типы стресса.

Кстати, именно в связи с этим, всегда большую проблему представляет попытка однозначно интерпретировать биологические последствия действия того или иного фактора среды. В исследовательской работе практически невозможно как-то точно измерить степень стрессового воздействия отдельного экологического фактора. Во всяком случае, нам такой способ неизвестен.  Вспомните эпиграф к этой теме. Уже во времена Гиппократа была вполне принята следующая логика: "люди племени Х похожи друг на друга, потому что живут в одних и тех же условиях". В этих конкретных условиях они выработали определенные черты культуры ("носят одну одежду", "едят одну пищу" и т.п.) и поэтому еще больше похожи между собой и отличаются от других. По сути, изложен принцип географического (или экологического) детерминизма, проявляющегося у человека, как в сфере биологии, так и в сфере культуры. Со времен Гиппократа прошло более двух тысяч лет, и за это время мы изучили кое какие закономерности связи культуры человека и естественной среды.  В частности мы знаем, что из всех явлений культуры с географической средой наиболее тесно связана хозяйственная деятельность человека. В сходных условиях и при одинаковом уровне культурного развития в разных группах человека вырабатываются близкие формы приспособления - возникают схожие комплексы материальной культуры.

Такие комплексы в отечественной этнографической литературе определяются понятием хозяйственно-культурный тип, т.е. исторически сложившийся комплекс хозяйства и культуры, типичный для народов, различных по происхождению, но обитающих в сходных географических условиях и находящихся на более или менее одинаковом уровне исторического развития.  Конкретные примеры хозяйственно-культурных типов - охотники на морского зверя полярных районов Северной Америки и Евразии, охотники-собиратели тропических лесов Южной Америки, Африки и Азии, скотоводы степей и полупустынь Евразии, охотники и рыболовы речных долин и т.п. Можно продолжить эту цепочку и говорить, например, о типе "села", "города" и пр.

Хозяйственно-культурный комплекс возникает независимо (конвергентно) у разных по происхождению народов. Его формирование можно описать как социальную реакцию популяции на факторы естественной среды обитания. Это своего рода адаптивная стратегия, направленная на максимально полное использование данных условий для выживания всей человеческой группы.  Благодаря этому явлению можно существенно конкретизировать результаты антропоэкологических исследований, и уж, конечно, учитывать такой комплексный фактор в непосредственной работе. Проблема в том, что система хозяйственно-культурных типов разработана только отечественной этнографической и антропологической школой, и выделенные комплексы ограничены территорией бывшего Советского Союза.

Наиболее значимыми социальными моментами, преломляющими прямое влияние географической ситуации на биологию популяции и ее адаптивные возможности, являются:

происхождение населения;

этнографические особенности быта, верований, культуры (в том числе, уровень гигиены и медицины);

тип и уровень развития хозяйства;

демографическая структура населения

Три последних пункта сами по себе являются хорошими адаптивными характеристиками и в этом отношении успешно исследуются. Но что делать, наука - штука тонкая, и иногда совсем не просто разобраться, что является фактором, а что - результатом его действия.

2. Генетический мониторинг популяций человека при действии мутагенов среды

Загрязнение природной среды вредными отходами производства, продуктами неполного сгорания, ядохимикатами и другими мутагенами, повышение фона ионизирующей радиации, вызываемое испытаниями атомного оружия, бесконтрольным использованием химических и радиоактивных веществ в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве - все это ведет к значительному увеличению генетических нарушений.

Генетический груз, подразумевающий собой эти генетические нарушения, подрывающие наследственное здоровье населения, растет. Так в СССР с восьмидесятого года рождалось 200 000 детей с серьезными генетическими дефектами и около 30 000 мертвых. Около 25% беременностей не донашивается по генетическим причинам. На данный момент у 10% всего населения существует нарушение психики. Увеличивается также число онкологических заболеваний. И при этом, в большинстве случаев, болезни связаны с загрязнением окружающей среды. По данным ВОЗ 80% болезней вызвано состоянием экологического напряжения. Поэтому проблемы генетики, экологии и адаптации человека становятся особенно острыми.

Наиболее целесообразным на данный момент для решения проблем экологии человека является использование мониторинга окружающей среды и социально-трудовой потенциал людей. Цель мониторинга заключается в выявлении физического, химического, биологического загрязнения окружающей среды. Мониторинг окружающей среды проводится на основе оценки структур здоровья населения в различных территориально-производственных комплексах. При этом нельзя считать полученные статистические данные абсолютно точными, так как они могут констатировать лишь рост заболеваний. Мешает также и отсутствие четких критериев здоровья и эффективных средств его оценки. Несомненно, мониторинг окружающей среды, а также другие методы решения экологических проблем так или иначе затрагивают генетику. А между тем, генетическое загрязнение нашей планеты опаснее всех других. Становится необходимым прогнозирование изменений роста заболеваний. Поэтому особое значение имеет генетический мониторинг, позволяющий проводить контроль за мутационным процессом у человека, выявлять и предотвращать всю возможность генетической опасности, связанную с еще необнаруженными мутагенами.

На данный момент, однако, исследования мутаций трудно осуществимы.

Возникшие трудности исследования мутаций прежде всего связаны с проблемой обнаружения их в организме человека. Так, например, дело обстоит с регистрацией рецессивной аномалии, так как такой мутантный ген проявляется в организме в гомозиготном состоянии, для достижения которого требуется некоторое время. Значительно проще дело обстоит с регистрацией доминантных генных и хромосомных мутаций, особенно, если их появление в фенотипе легко обнаружимо.

Благодаря биоэкологическому мониторингу через типизацию климатогеографических и производственных районов по структурам здоровья, (то есть по соотношениям между группами с различными уровнями здоровья) возможно более эффективное улучшение условий окружающей среды, а также повышение уровня здоровья населения. Хотя остается большое количество проблем. Так, например, показатели рождаемости, заболеваемости и смертности довольно инертно "откликаются" на изменение окружающей среды, и выявляются лишь последствия экологического неблагополучия, что не дает возможности оперативного управления экологической ситуацией.

Еще не разработан ряд необходимых экономических механизмов для стимулирования мероприятий по охране окружающей среды. Хотя генетический мониторинг - дело сложное, он просто необходим для решения экологических проблем человека, а также уменьшения роста заболеваний, в том числе наследственных.

План практического занятия

. Природные популяции как исторически сложившиеся стабильные популяционные системы

2. Генетический мониторинг популяций человека при действии мутагенов среды

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

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

Тема 13-14. Мутагенез и канцерогенез

. Мутагенез и антимутагенез

2. Пути уменьшения генетической опасности

1. Мутагенез и антимутагенез.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенез, организмы, у которых произошли мутации, - мутантами, а факторы среды, вызывающие появление мутаций, - мутагенными. Способность к мутированию - одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация вызывается какой-то причиной, как правило, связанной с изменениями во внешней среде.

МЕХАНИЗМЫ КАНЦЕРОГЕНЕЗА

Онкологические заболевания занимают второе место как причина смертности населения в экономически развитых странах, уступая только заболеваниям сердечно-сосудистой системы. В разных регионах земного шара число больных опухолями колеблется от 65 до 360 на 100 000 населения.

Опухоль - это избыточное, некоординируемое организмом, потенциально беспредельное разрастание ткани, состоящей из качественно измененных клеток, для которых характерны безудержная пролиферация, нарушение дифференцировки, морфологический, биохимический и функциональный атипизм.

Опухолевый процесс - это несбалансированный тканевый рост, избыточное размножение клеток, не отвечающее потребностям ткани и организма в целом.

В патологии встречаются и другие процессы, сопровождающиеся разрастанием ткани, но они существенно отличаются от истинного опухолевого роста. Так, одним из тканевых проявлений воспалительной реакции является пролиферация клеток. Но при воспалении пролиферируют клетки различного генеза: специфические клетки данной ткани, клетки соединительной ткани, сосудов, некоторые клетки крови. Рост же опухоли осуществляется за счет размножения клеток одного типа, являющихся потомками одной клетки, подвергшейся трансформации. Пролиферация клеток при воспалении не беспредельна, она регулируема, сопровождается клеточной дифференцировкой и продолжается до восполнения тканевого дефекта. В основе гиперплазии и регенерации также лежит размножение клеточных элементов одного типа, но и эта пролиферация не беспредельна, как в опухолях, и завершается созреванием клеток.

Таким образом, самой существенной особенностью опухолевой ткани является беспредельная пролиферация клеток с нарушением процесса их дифференцировки.

Классификация опухолей

Различают доброкачественные и злокачественные опухоли.

Это разделение основано на оценке внешних особенностей отдельных опухолевых клеток и опухоли в целом, их поведения, темпа и характера роста, влияния на организм.

Доброкачественные опухоли растут медленно, годами, тогда как злокачественные отличаются быстрым ростом и могут заметно эволюционировать в течение нескольких месяцев или даже недель. Доброкачественные опухоли, увеличиваясь в размере, отодвигают (раздвигают) окружающие ткани, при пальпации подвижны и имеют ровную поверхность.

Злокачественные опухоли обычно плотные, с бугристой поверхностью, прорастают соседние ткани, малоподвижны. Злокачественные новообразования, помимо выраженных изменений в соседних тканях, вызывают истощение организма, способны к распространению, образованию метастазов, рецидивам и без лечения завершаются летально.

Репарация наследственного материала

Антимутагенез - это воздействие на клетку и организм, которое блокирует или уменьшает вероятность возникновения мутаций. Устойчивость генетического материала обеспечивают антимутационные механизмы.

. Естественные барьеры: диплоидный набор хромосом ( парность хромосом), двойная спираль ДНК, избыточность ( вырожденность) генетического кода, повтор некоторых генов.

. Репарация структуры ДНК- это внутриклеточный процесс восстановления поврежденной молекулы ДНК. Повреждениями могут быть разрывы нитей ДНК, сшивание (соединение) нитей ДНК или ДНК - гистон, нарушения структуры азотистых оснований.

Репарация может происходить:

а) до удвоения молекулы ДНК ( дорепликативная);

б) в процессе удвоения молекулы ( репликативная) и в) после удвоения молекулы ДНК (пострепликативная).

В 1962г. К.Руперт описал фотореактивацию, или световую репарацию. Он установил, что при облучении ультрафиолетом фагов, бактерий и протистов резко снижается их жизнеспособность. Но если на них действовать видимым светом, жизнеспособность восстанавливается. При действии ультрафиолета в молекуле ДНК образуются димеры (химические связи между основаниями Т-Т одной цепочки). Это тормозит считывание информации. Видимый свет активирует ферменты, которые разрушают связи димеров.

Чаще встречается репарация темновая, или эксцизионная ( описана А.Герреном в 50-е годы ХХ века). Она заключается в том, что ферменты находят и " вырезают" поврежденный участок нити ДНК и на его место вставляют синтезированный неизмененный участок.

В этих процессах участвуют четыре группы ферментов:

а) эндонуклеаза " узнает" поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК;

б) экзонуклеаза удаляет поврежденный участок;

в) ДНК-полимераза по принципу комплементарности синтезирует фрагмент ДНК на месте разрушенного;

г) лигаза соединяет концы вставленного участка с основной нитью ДНК.

Нарушение процесса репарации может привести к развитию болезней, примерами которых являются пигментная ксеродерма и анемия Фанкони. При пигментной ксеродерме под действием солнечных лучей на коже появляются ожоги, развиваются язвы, ороговение эпидермиса, поражения глаз и появление раковых опухолей.

Анемия Фанкони связана с нарушением функций красного костного мозга, что приводит к снижению содержания форменных элементов крови и развитию гиперпигментации.

. Наличие антимутагенов. Это вещества различной природы, которые в небольших концентрациях способны стабилизировать мутационный процесс. Примерами могут быть биологически активные соединения гистамин и серотонин, антиоксиданты, сульфаниламидные препараты, свежие овощные соки и некоторые другие. Наиболее эффективным антимутагеном является α- токоферол, который снижает число как генных, так и хромосомных мутаций. Чем больше токоферолов содержалось в растениях, тем больше была устойчивость их генетического аппарата к действию мутагенных факторов.

Биологические основы канцерогенеза (генетические концепции)

Канцерогенез - процесс образования и развития опухолей. Изменения происходят на молекулярно-генетическом уровне. В их основе лежат механизмы, которые контролируют рост, размножение и дифференцировку клеток.

В 1901г. впервые Г.де Фриз высказал предположение, что опухоль образуется в результате мутации в соматических клетках. Это - мутационная концепция канцерогенеза.

Основы вирусо-генетической концепции представлены в работах А.Борреля и Ф.Боска (1903г.). Они считали, что вирусы являются причиной лейкозов и саркомы кур. Л.А.Зильбер (1945г.) называл вирусы универсальной причиной злокачественного роста.

Мутагены и канцерогены активируют вирусы, их геном включается в ДНК клетки и изменяет ее свойства. Ю.М.Оленов (1967г.) и А.Ю.Броновицкий (1972г.) предложили эпигеномную концепцию.

Они считали, что в основе превращения нормальной клетки в опухолевую лежат нарушения структуры функциональных генов. Последней по времени является генная концепция - концепция протоонкогенов (Р.Хюбнер, 1969г.; Г.И.Абелев, 1975г.).

В составе ДНК любой клетки содержатся неактивные участки - протоонкогены. Они могут быть получены от родителей или внесены в клетку вирусом. Активируются протоонкогены при мутациях или при попадании в клетку промотора вируса и переходят в активную форму - онкогены. Нормальная клетка преобразуется в опухолевую клетку.

Генетика и проблема рака.

Достижения генетики и молекулярной биологии последних десятилетий оказали огромное влияние на понимание природы инициализации и прогрессии злокачественных образовании. Окончательно установлено, что рак представляет собой гетерогенную группу заболеваний, каждое из которых вызывается комплексом генетических нарушений, определяющих свойство неконтролируемого роста и способность к метастазированию. Эти современные знания открыли принципиально новые возможности в диагностике и лечении злокачественных новообразований.

Влияние конкретных генетических нарушений, лежащих в основе опухолевого роста, позволило обнаружить специфические молекулярные маркеры и разработать на их основе тесты ранней диагностики опухолей.

Известно, что неопластические трансформация клеток происходит в результате накопления наследуемых (герминативных) и приобретенных (соматических) мутаций в протоонкогенах или генах-супрессорах. Именно эти генетические нарушения с первую очередь могут быть использованы для обнаружения злокачественных клеток в клиническом материале.

Наиболее подходящим субстратом молекулярной диагностики является ДНК, т.к. она длительно сохраняется в образцах тканей и может быть легко размножена с помощью т.н. полимеразной цепной реакции (ПЦР). Это позволяет осуществлять диагностику даже при наличии минимального количества исследуемого материала.

Помимо определения мутаций в онкогенах и генах-супрессорах в диагностических целях используют изменения, выявляемые в повторяющихся последовательностях ДНК, т.н. микро сателлитах.

При сравнении парных образцов опухоли и нормальных тканей может быть выявлено выпадение одного из аллелей в опухоли (потеря гетерозиготности (ПГ), что отражает наличие хромосомных делеций, лежащих в основе инактивации генов-супрессоров.

Микросателлитная нестабильность (МН) особенно характерна для наследуемой формы неполипозного рака толстой кишки. Она, однако, обнаруживается при многих других видах опухолей и проявляется как в инактивации генов-супрессоров, так и в делециях анонимных некодирующих последовательностей ДНК.

В целом, обнаружение клинических образцах ПГ и/или МН указывает на присутствие клеток, несущих искаженную информацию, свойственную опухолевому росту. Мутации в онкогенах и генах-супрессорах обнаруживаются также при использовании в качестве исходного материала клеточной РНК, которую превращают в реакцию обратной транскрипции в комплиментарную (С)-ДНК и амплифицируют с помощью ПЦР. Данный метод (RT-ПЦР) широко применяют для выявления экспрессии генов в различных тканях.

Известно, что нормальные и опухолевые клетки различаются по экспрессии многих сотен генов, поэтому разработаны современные методы серийного анализа экспрессии, основанные на технологии микрочипов и позволяющие оценивать сотни и даже тысячи генов одновременно.

Одним из новых перспективных молекулярных маркеров опухоли является телоизомераза, рибонуклеопротеиновый фермент, наращивающий нуклеотидные последовательности на концах хромосом (теломерах) активность данного фермента постоянно присутствует в более чем 90% опухолей и практически не обнаруживается в нормальных тканях. Несм отря на несомненную перспективность и высокую точность методов молекулярной диагностики, вопрос об их специфичности и чувствительности сохраняет свою актуальность. Это связано с тем, что опухоли всегда состоят из смеси нормальных и злокачественных клеток, поэтому выделяемая из них ДНК также гетерогенна, что необходимо учитывать при решении вопроса о применимости молекулярных тестов.

Тем не менее, методики, базирующиеся на ПЦР, технологически исключительно чувствительны и способны обнаруживать специфические генетические нарушения задолго до формирования морфологически определяемой опухоли.

В настоящее время сформировалось несколько направлений использования молекулярных тестов в онкологии.

) Раннее выявление опухолей наиболее часто основывается на определении мутаций ras и p53, обнаружение которых позволяет в некоторых случаях судить о стадии опухолевого процесса. Информативным ранним маркером рака толстой кишки служат мутации гена АРС, обнаруживаемые более чем в 70% аденом. Микросателлитные маркеры высоко эффективны в ранней диагностике рака мочевого пузыря и простаты. Широкий спектр опухолей может быть диагностирован с использованием протоколов активности телоизомеразы.

) Метастазирование и распространенность опухоли также могут оцениваться с применением молекулярных тестов. Наиболее часто для этих целей используют RT-PCR метод выявления изменений экспрессии генов в опухолевых клетках.

) Анализ цитологических и гистологических препаратов с помощью молекулярных тестов находит все более широкое применение. Примером может служить определение HPV вирусов при раке шейки матки, а также применение молекулярных тестов для выявления мутаций онкогенов непосредственно на гистологических срезах.

) Промежуточные биомаркеры служат для выявления клональных и генетических изменений, позволяющих предсказать появление опухолей. Эти маркеры успешно используются для оценки эффективности онкопротекторов на популяционном уровне.

) Генетическое тестирование онкологического риска стало возможным в связи с открытием генов предрасположенности к онкологическим заболеваниям, что оказалось особенно актуальным для оценки риска среди членов так зазываемых "высоко раковых" семей.

ДНК-тестирование успешно применяется при различных наследуемых опухолях: ретинобластоме, полипозе кишечника, множественных эндокринных опухолях второго типа вслед за клонированием генов предрасположенности к раку молочной железы и яичников.

Одна из существенных проблем, возникающих при диагностике семейной предрасположенности к РМЖ, касается социальных и психологических последствий выявления у пациентов данных мутаций.

Однако при правильной организации генетического консультирования и соблюдения этических норм и принципа конфиденциальности применения молекулярных тестов в группах риска, безусловно, полезно и необходимо.

В заключение следует подчеркнуть, что внедрение современных методов молекулярной диагностики в широкую онкологическую практику неизбежно потребует серьезного технического перевооружения существующих клинических лабораторий, а также специально подготовленного персонала. Сами методы диагностики при этом должны пройти масштабные клинические испытания с учетом принципов рандомизации.

. Пути уменьшения генетической опасности.

Онкогигиеническая профилактика, т.е. выявление и устранение возможности действия на человека канцерогенных факторов окружающей среды, а также выявление и использование возможностей уменьшения опасностей такого воздействия. Спектр форм воздействия в этом направлении чрезвычайно обширен и можно конкретизировать лишь основные из них. Такими являются образ жизни и питание человека. Ведущее значение в оздоровлении образа жизни придается контролю курения. В учебных заведениях некоторых стран введен специальный курс о последствиях курения и строгий контроль соответствующих органов за динамикой заболеваемости населения, связанной с курением. Такое внимание к контролю курения обусловлено тем, что табак и табачный дым содержат более 3800 химических веществ, из которых многие относятся к полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ), нитросоединениям и ароматическим аминам, являющимися сильнейшими канцерогенами. По данным литературы атрибутивный риск рака легкого, т.е. доля случаев этого заболевания, вызванных курением, составляет 80-90% у мужчин и 70% у женщин. Велика роль курения в возникновении рака пищевода, поджелудочной железы, мочевого пузыря. Ежегодные прямые и непрямые расходы на лечение заболеваний, связанных с курением составляют в США более 50 миллиардов долларов. Весьма значительно повышается онкологическая заболеваемость и при употреблении алкоголя, особенно крепких напитков. Так человек, систематически потребляющий 120 г и более чистого алкоголя в день, имеет риск заболеть раком пищевода в 101 раз выше, чем сопоставимый с ним, но не употребляющий алкоголя. Атрибутивный риск этой вредной привычки существенно возрастает, если она сочетается с курением. Большое значение в возникновении злокачественных опухолей придается действию ионизирующих излучений, ультрафиолетовому облучению, а также неионизирующим электромагнитным излучениям радио- и микроволнового диапазона.

Установлена отчетливая связь между катастрофическими событиями (стрессовыми ситуациями) в жизни человека и возникновением злокачественных новообразований. Риск возникновения этих заболеваний резко возрастает при эмоциональной подавленности невротического характера вследствие нервно-психической травмы, отмечается также высокая корреляция между депрессией (за исключением психических больных) и опухолевым процессом.

Весьма важное значение в возникновении опухолевых заболеваний имеет характер питания (диеты) человека. Рекомендуемая сбалансированная диета должна содержать жиров, особенно насыщенных, не более 75,0 в день для мужчин и 50,0 - для женщин. Она должна быть богата продуктами растительного происхождения и витаминами, особенно А, В, С, Е, которые оказывают на канцерогенез ингибирующее воздействие. Перечень факторов и воздействий на канцерогенез не ограничивается перечисленными выше и является достаточно обширным.

Биохимическая профилактика имеет целью предотвращение бластоматозного эффекта от действия канцерогенов путем применения определенных химических препаратов и соединений. Так, например, общеизвестна роль нитратно-нитритного загрязнения окружающей среды в развитии прежде всего злокачественных новообразований желудочно-кишечного тракта, который является основным путем их проникновения в организм человека. При среднем потреблении с водой и пищевыми продуктами 1 миллимоля в сутки смертность от рака желудка составляет 6 на 100 000 населения в год (США), а при нагрузке 4,5 миллимоля в сутки этот показатель возрастает до 43 на 100 000 населения (Япония). Канцерогенное воздействие воды и пищи возрастает также в случае загрязнения водоисточников соединениями мышьяка, галогенов, а также загрязнения воздушной среды различными химическими веществами и особенно асбестовой пылью, бластомогенное действие которой при поступлении ее в организм ингаляционным путем в настоящее время является общепризнанным. Канцерогенны химического происхождения окружают человека и в бытовой обстановке: полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и окислы азота при сжигании газа, формальдегид и смолы содержатся в пластиках, нитросоединения появляются в дыму при жарении пищи и т.д. Поэтому биохимическому направлению в профилактике онкологических заболеваний придается большое значение, однако реализация возможностей этого направления представляется весьма сложной: многие специалисты считают, что для организации мероприятий по предотвращению бластоматозного действия химических канцерогенов и контроля эффективности мер защиты необходим биохимический мониторинг.

Теоретически эффективность мероприятий по онкогигиенической и биохимической профилактике оцениваются снижением онкологической заболеваемости на 70-80%, так как по данным Международного агенства изучения рака (Лион, Франция) 80-90% злокачественных новообразований детерминировано средовыми факторами.

К числу других направлений профилактики злокачественных новообразований относится медико-генетическая профилактика путем выделения семей с наследуемыми предрасположенностями к предопухолевым и опухолевым заболеваниям, лиц с хромосомной нестабильностью и организации мероприятий по снижению опасности возможного действия на них канцерогенных факторов. В механизмах наследственной предрасположенности часто решающее значение имеют эндокринные факторы. Так, дочери матери, больной раком молочной железы, имеют риск заболеть этим заболеванием в 4,5 раза выше, чем их сверстницы, не имеющие такого анамнеза. Сестры больной раком молочной железы, если их мать страдала этим же заболеванием, имеют вероятность возникновения такой опухоли в 47-51 раз выше, чем их сверстницы с неотягощенной наследственностью. Женщинам, имеющим отягощенный анамнез относительно рака молочной железы, не рекомендуется грудное вскармливание детей, употребление кофе, прием некоторых медикаментов, особенно резерпина и группы раувольфии. Доброкачественные опухоли молочной железы среди женщин, имеющим это заболевание в семейном анамнезе, встречаются в 4 раза чаще.

Иммунобиологическая профилактика проводится путем выделения людей или формирования групп с иммунологической недостаточностью и организации мероприятий по ее коррекции или устранении одновременно с защитой от возможных канцерогенных воздействий. Это направление приобретает особо важное значение при продолжительной иммунодепрессивной терапии после гомологичной пересадки органов и тканей, а также лечении аутоиммунных заболеваний.

Эндокринно-возрастная профилактика проводится путем выявления и коррекции дисгормональных состояний и возрастных нарушений гомеостаза, способствующих возникновению и развитию злокачественных новообразований. Теоретическая эффективность каждого из этих направлений оценивается снижением онкологической заболеваемости на 10%.

Вторичная профилактика злокачественных новообразований представляет собой комплекс мероприятий, направленных на выявление предопухолевых заболеваний и состояний, а также раннюю диагностику онкологических заболеваний, что обеспечивает наиболее высокую эффективность их хирургического (и других видов противоопухолевого) лечения. В осуществлении этого вида профилактики большое значение имеет применение цитологических, гистологических, эндоскопических, рентгенологических и других специальных методов обследования, так как простой визуальный осмотр и применение обычных методов врачебного обследования без применения перечисленных выше методик недостаточно эффективны для выявления ранних стадий онкологических заболеваний. В СССР визуальному обследованию и профилактическим осмотрам ежегодно подвергалось около 100 млн. человек, а выявленные при этих осмотрах (без применения специальных дополнительных методов обследования) больные злокачественными новообразованиями составляли всего лишь около 7% от общего числа первично диагностируемых заболеваний такого рода. Однако учитывая значимость и возрастающую тенденцию роста онкологической заболеваемости это направление вторичной профилактики не утратило своего положительного значения. Методы коллективной профилактики должны реализоваться прежде всего путем строгого соблюдения положений соответствующих нормативных и регламентирующих документов об охране здоровья населения, а методы индивидуальной профилактики также и путем систематической пропаганды необходимых медицинских знаний и создания условий для здорового образа жизни.

В индивидуальной профилактике сохраняет свое большое значение диспансеризация, при проведении которой всеми врачами-специалистами должна проявляться онкологическая настороженность, т.е. исключение бластоматозной природы заболевания и опухолевых процессов обследуемой области, включая при необходимости и применение специальных методов исследования. Такой образ действия в процессе диспансеризации в достаточной степени обеспечивает своевременное выявление ранних стадий онкологических заболеваний и лиц с повышенным риском их возникновения, что позволяет формировать группы риска. Лица, отнесенные к этим группам, должны подвергаться специальным методам исследования (в зависимости от показаний - цитологическим, гистологическим, эндоскопическим, УЗИ, рентгенологическим, лабораторным и т.д.) с соблюдением строгой периодичности их проведения. В такие группы, помимо определенных соответствующими положениями, встречаются также страдающие некоторыми формами анемии, зобом, ожирением II-III ст., хроническими заболеваниями легких и желудочно-кишечного тракта, прежде всего воспалительной природы, в возрасте старше 40 лет. В эти группы включаются курильщики и страдающие алкогольной зависимостью, лица имеющие кровных родственников больных или болевших онкологическими заболеваниями, прежде всего раком легкого, раком желудка, толстой и прямой кишки, раком молочной железы и др. В группы риска должны включаться также лица, у которых обнаружена триада: гипертоническая болезнь, диабет, ожирение. Такие группы могут формироваться и на основе использования скрининговых программ, рекомендуемых ВОЗ, в том числе и с применением автоматизированного скрининга.

План практического занятия

. Мутагенез и антимутагенез

2. Пути уменьшения генетической опасности. Коллоквиум.

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

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

Тема 15. Мониторинг генетических последствий загрязнения окружающей среды

. Принцип дифференциации мутационного и сегрегационного груза

. Популяции человека как объект генетического исследования в связи с состоянием окружающей среды

. Проблемы оценки влияния загрязнителей биосферы на наследственность человека

. Принцип дифференциации мутационного и сегрегационного груза

Для характеристики популяции существенно понятие генетического груза (L). Не все генотипы в популяции имеют одинаково высокую приспособленность. Появление в популяции особей с низкой приспособленностью возможно за счет постоянно возникающих мутаций, миграций, при естественном отборе, за счет инбридинга и др. Все это при водит к тому, что средняя приспособленность популяции оказывается ниже максимальной. Величину показывающую, насколько средняя приспособленность ниже оптимальной для популяции, Кроу предложил называть генетическим грузом.

L =Wmax - W/Wmax

Генетический груз слагается из многих величин.

В популяции постоянно происходит расщепление на генотипы, неодинаковые по своей приспособленности и поэтому подвергающиеся действию того или иного типа отбора. При большей приспособленности гетерозигот (сверхдоминирование) от них постоянно выщепляются гомозиготы с более низкой приспособленностью. Этот компонент генетического груза можно назвать сегрегационным грузом (Ls).

Направленный отбор порождает субституционный груз. Замещение старого аллеля новым, превосходящим его аллелем, влечет за собой генетическую гибель носителей старого аллеля. Сумма случаев генетической гибели, происходящих при полном замещении какого-либо гена - суммарный субституционный груз,- может быть очень велика, поскольку частота старого аллеля, обреченного на замещение, в начале этого процесса обычно бывает высокой.

За счет повышения доли гомозигот при инбридинге создается инбредный груз (Li), также уменьшающий среднюю приспособленность популяции, иногда очень резко (инбредная депрессия).

В популяционных системах, способных к обмену носителями генетической информации, возникает проблема элиминации этих носителей (в первую ои"оедь, диплоидных), оказавшихся не на своем месте. В этих случаях может вступать в Действие дизруптивный или балансирующий отбор или отбор обоих типов одновременно. В результате генотипы, адаптированные к одной нише, погибают, оказавшись в смежной нише. Это явление называется генетическим грузом, вносимым особями, оказавшимися "не на месте" (misplaced individualload, или МРI-груз) (Грант, 1991).

Инбридинг

близкородственные браки - частный случай ассортативных браков, когда выбор брачного партнера осуществляется по принципу родства будующих супругов.

Близкие родственники имеют хотя бы одного общего предка. Потомство от брака родителей близких родственников называется иньредным.

Количественная мера инбридинга - коэффициент инбридинга (F) - вероятность с которой у потомка от близкородственного брака в данном локусе будет находититься 2 идентичных по происхождению гена, полученого от общего предка.=сумма(1/2) n+n1+1, где n и n1-число шагов(поколений) от общего предка к каждому из родителей инбредного потомства.

Последствия: увеличивается риск проявления рецессивных наследственных болезней. Чем больше степень родства родителей инбредного потомства, тем больше часть генома общих предков может из него перейти в гомозиготное состояние. Чем реже ген рециссивного заболевания встраивается в популяции, тем больше шансы, что соответствующее заболевание обнаружится в близкородственном браке. Может увеличивать частоту полигенных заболеваний.

В реально существующих популяциях:

)все факторы популяционной динамики 2)каждая популяция эволюционирует многими генами 3) генотипы взаимодействуют друг с другом 4) комбинация генотипов может быть неслучайны, а направленность отбора - непостоянна, она может сменяться со временем и при изменении условий среды.

. Популяции человека как объект генетического исследования в связи с состоянием окружающей среды

В условиях усиливающегося антропогенного воздействия на природу важной задачей биологии становится не только сохранение структуры и видового разнообразия биоценозов, но и всего генетического фонда каждого вида, обитающего на Земле. Вместе с тем, тенденции антропогенного регресса биосферы таковы, что к уже вымершим видам с каждым годом прибавляются новые. Под угрозой исчезновения во всём мире в настоящее время находится около 25 тыс. видов сосудистых растений и более 1 тыс. видов позвоночных животных.

Помимо химического загрязнения природной среды, вызывающего острые и хронические отравления и гибель животных и растений, существуют другие причины падения численности и вымирания организмов - генетические. Условно все генетические причины деградации биоты можно разделить на две группы. Первая группа причин связана с загрязнением ОС мутагенами - физическими, химическими, а в последнее время и биологическими. Вторая группа причин связана с инсуляризацией некогда единых ареалов крупных популяций на более мелкие, изолированные друг от друга, микропопуляции, риск вымирания которых очень велик. В популяциях подверженных мутагенным факторам и в популяциях, испытывающих антропогенное дробление, могут происходить специфические процессы изменения генетической структуры. Понимание механизмов этих процессов необходимо для совершенствования практических мероприятий по сохранению генетического разнообразия видов.

В сложной и комплексной проблеме охраны природы сохранение полных генофондов всех живущих в настоящее время животных и растений является важной целью. Особого внимания заслуживают задачи сохранения генофондов всех одомашненных видов растений и животных - как основы сельскохозяйственного производства, генофондов всех видов дикорастущих растений и диких животных - как материала для дальнейшей селекционной работы. Наконец важной задачей является сохранение генофондов всех видов диких животных и растений, значение которых для практических целей пока не известно. Однако и те виды, которые не найдут практического применения тоже должны быть сохранены полностью, т.к. любой вид организмов является продуктом эволюции и его исчезновение будет невосполнимой потерей для биосферы Земли.

В настоящее время установлено, что многие токсиканты, загрязняющие биосферу, являются мутагенами и канцерогенами. Однако прямой зависимости здесь нет: часть токсикантов не обнаруживает мутагенных свойств и наоборот, некоторые сильные мутагены не являются сильными токсикантами. Аналогичная связь между мутагенными и канцерогенными свойствами веществ: многие канцерогены обладают мутагенными свойствами и наоборот, многие мутагены обнаруживают канцерогенные свойства. Однако, обнаружены вещества, активно проявляющие только одно из этих вредоносных свойств - либо мутагенность, либо канцерогенность. Циркулирующие в биосфере мутагены и канцерогены способны нарушать генетический аппарат живых организмов, в том числе и человека. Результатом этих нарушений может быть повышение частоты генных, хромосомных и геномных мутаций в соматических и генеративных клетках, и как следствие - рост частоты раковых заболеваний, спонтанных абортов, мерворождений, врождённых уродств и наследственных нарушений метаболизма. Так как большая часть вновь возникших мутаций вредоносна, то повышение их частоты в популяциях может привести к снижению жизнеспособности и уменьшению средней продолжительности жизни. У диких организмов интенсификация мутационного процесса, гибель наиболее чувствительных из них и рост численности резистентных к загрязнению особей может привести к коренному изменению генетической структуры популяций.

Интенсивное загрязнение биосферы Земли физическими (ионизирующая радиация, электромагнитные поля промышленных частот и радиодиапазона) и химическими мутагенами выдвигает проблему контроля генетического груза в популяциях различных видов организмов и человека на первый план.

. Проблемы оценки влияния загрязнителей биосферы на наследственность человека

Антропогенные экосистемы в настоящее время загрязнены очень сильно. В этих условиях каждое последующее поколение организмов будет подвергаться действию комплекса мутагенных факторов. Подобные ситуации уже существуют во многих регионах. В связи с этим встаёт задача исследования популяционной динамики мутационного процесса на протяжении нескольких поколений, подверженных действию мутагенов различной интенсивности. Представляет интерес выполнение таких исследований, как в экспериментальных, так и в природных популяциях. Разные виды живых организмов значительно различаются популяционной структурой, системами размножения степенью внутри- и межпопуляционной панмиксности. Все эти биологические особенности могут играть определённую роль в изменении темпов мутационного процесса на фоне загрязнения природной среды мутагенами или иных форм антропогенного воздействия. Систематические исследования в этом направлении пока отсутствуют. Их проведение позволило бы более корректно прогнозировать отдалённые последствия хронического воздействия мутагенов.

Поразительное разнообразие живых организмов обитающих на Земле хорошо известно. В условиях всё усиливающегося антропогенного воздействия на биоту очень остро встает задача изучения чувствительности к мутагенам организмов, принадлежащих к различным систематическим группам. Важно выяснить - как реагируют организмы разного уровня организации на одинаковые уровни загрязнения среды. Уже получены доказательства того, что один и тот же загрязнитель (или комплекс загрязнителей) более опасны для организмов одной систематической группы и менее опасны для другой. Знание этих особенностей откроет возможность использования их в прикладном плане - для организации защиты наиболее уязвимых систематических групп организмов от воздействия химического загрязнения. Несмотря на то, что приоритетной задачей генетического мониторинга является охрана генофонда человечества, сохранение генетического разнообразия всех других организмов - это условие полноценного существования людей в будущем. Рассматривая задачи генетического мониторинга с этой точки зрения, необходимо учесть, что чувствительность некоторых видов организмов к мутагенам значительно выше таковой у человека. Поэтому регламенты предельных концентраций мутагенов, установленные для человека, могут оказаться чрезвычайно высокими для других видов организмов. Если это будет доказано экспериментально, потребуется, вероятно, пересмотр установленных регламентов.

В настоящее время известны вещества, обладающие сильными токсическими свойствами, но являющиеся слабыми мутагенами. В месте с тем. существуют вещества, не проявляющие токсических свойств, но являющиеся сильными мутагенами. Такие вещества должны стать важным объектом генетического мониторинга, т.к. только их мутагенные свойства станут фактором, регламентирующим их концентрации в различных объектах ОС.

Как уже указывалось, в биосфере Земли циркулирует огромное количество синтетических ксенобиотиков. Химический анализ и разделение этих, подчас очень сложных смесей, практически невозможны. Однако, оценка опасности загрязнения среды необходима. Для этих целей может быть применен анализ суммарной мутагенной опасности различных объектов ОС: воды, воздуха, почвы, пищевых продуктов. Проведение обширных исследований суммарной мутагенной опасности воздуха, воды, почвы из различных районов области позволит оценить степень генетического риска обитания в этих районах.

В условиях интенсивного техногенного воздействия на биоту актуальным становится разработка методических приёмов и критериев, позволяющих эффективно выявлять отрицательное влияние этих процессов на генофонд свободноживущих микроорганизмов, растений и животных. В связи с этим, наряду с использованием лабораторных генетических тест-систем, необходимо разработать систему мониторинга генетических процессов в диких популяциях модельных видов организмов, среда обитания которых может быть в различной степени загрязнена мутагенами. Целесообразно, чтобы эти организмы принадлежали к различным классам или даже типам животных и растений. Обязательным компонентом системы генетического мониторинга ОС должен стать мониторинг гидробиоитов - как позвоночных, так и беспозвоночных. Необходимо, чтобы выбранные модельные виды могли быть использованы как для локального, так и для регионального мониторинга. Генетический мониторинг, как и все другие формы биомониторинга, имеет один общий принцип: все расчёты базируются на сравнении полученных величин с информацией о фоновом уровне отклика биоты на воздействие. Для этого необходимы генетические исследования популяций растений, животных и человека, не испытывающих (или испытывающих очень слабые) антропогенные воздействия. Эта информация должна накапливаться годами. Только в этом случае могут быть даны правильные оценки ситуации и прогноз состояния биоты на будущее. Один из важнейших вопросов, который необходимо решить в процессе генетического мониторинга заключается в следующем: ведёт ли загрязнение ОС к увеличению темпов мутационного процесса в популяциях.

Отрицательные последствия длительного проживания людей в условиях хронического воздействия токсичных и мутагенных веществ уже сказывается на здоровье населения. Естественно, прежде всего страдают люди с высокой чувствительностью к токсикантам и мутагенам и именно они становятся первыми жертвами хронических интоксикаций, онкологических и наследственных заболеваний. Неодинаковая реакция на химические мутагены ставит задачу поиска методов определения индивидуальной чувствительности людей к действию мутагенов. Разработка таких методов позволит более квалифицированно решать проблемы профессионального отбора людей на предприятия с высоким уровнем мутагенов в производственной среде. Постоянный рост числа и концентраций техногенных мутагенов в ОС требует поиска методов управления мутационным процессом и защиты наследственности организмов от воздействия мутагенов. Это особенно важно для групп людей с повышенным профессиональным риском наследственных заболеваний.

Получение сведений о динамике врождённых нарушений развития в популяциях человека вместе с данными по загрязнению среды мутагенами и данными о генетических последствиях этих загрязнений для диких организмов позволит достаточно эффективно прогнозировать возможные отдалённые последствия загрязнения ОС различных регионов. Совершенно очевидно, что систематизация и причинно-следственный анализ всей получаемой информации с её привязкой к конкретной территории потребует достаточно сложной статистической обработки. Это в настоящее время позволяют выполнять различные ГИС. При этом только системный подход, включающий картирование концентраций ксенобиотиков, системы экотоксикологического и генетического мониторинга, имитационное и математическое моделирование и, основанное на этих подходах научное прогнозирование, позволит адекватно оценивать уровень антропогенного воздействия на биоту и принимать необходимые профилактические меры.

План практического занятия

. Принцип дифференциации мутационного и сегрегационного груза

. Популяции человека как объект генетического исследования в связи с состоянием окружающей среды

. Проблемы оценки влияния загрязнителей биосферы на наследственность человека

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

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

2.3 Методические указания к занятиям в рамках самостоятельной работы студентов

Задания СРС выполняются вне аудитории без участия преподавателя. Основная задача СРС - подготовка к лабораторным занятиям и лекциям. На лабораторное занятие выносятся основные вопросы темы. Тематический план лабораторного занятия, перечень основной и дополнительной литературы, методические советы к темам лабораторных занятий отвечают на вопросы, что и как надо делать. Внимательно изучив методические советы к темам лабораторных занятий, самостоятельно подготовьте ответы на вопросы тематического плана лабораторного занятия. В ходе подготовки каждого вопроса кратко, схематично фиксируйте основные положения, формулировки в тетрадь для СРС. После завершения подготовки проверьте свои знания при помощи вопросов самопроверки. Вопросы, которые не смогли самостоятельно выяснить, запишите и задайте преподавателю на лекции или в процессе СРСП. Задания СРС должны выполняться до лекции. А на лекции знания, полученные самостоятельно, должны углубляться и расширяться. Однако объем вопросов, выносимых на лабораторное занятие, не охватывает полное содержание темы. Поэтому необходима дальнейшая работа студента по углублению и расширению своих знаний. Это осуществляется в процессе СРСП. Поэтому в СРСП выносятся дополнительные вопросы, задачи, упражнения и т.д., при помощи которых полностью раскрывается содержание темы.

.4 Методические указания к занятиям в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя

Задания для СРСП прежде всего охватывают те вопросы, которые не включены в планы лабораторных занятий. Поэтому задания, предлагаемые на СРСП, дополняют, углубляют и закрепляют знания, полученные в ходе СРС. В ходе СРСП студенты могут выяснить у преподавателя вопросы, которые возникли у них в процессе подготовки к лабораторным занятиям. Выполнение заданий СРСП обязательно для всех студентов. На СРСП студенты должны приносить с собой учебники, учебно-методические разработки и другие материалы. Наиболее подготовленные студенты, которые в состоянии выполнять задания самостоятельно, могут не посещать СРСП, но задания обязательно должны сдать преподавателю для проверки. Выполнение заданий СРСП поможет студентам лучше подготовиться к семинарским занятиям и лекциям.

2.5 Тематика письменных работ по курсу

1. Строение микроскопа. Методы микроскопии (электронная, световая, люминесцентная, фазово-контрастная, микроскопия в томном поле). Правила работы с микроскопом, уход.

2. Хромосомы. Строение, морфологические типы, кариотип, кариограмма, идиограмма.

. Химический состав хромосом. Типы хромосом, политенные хромосомы. Спутник, центромера.

. Строение растительной и животной клетки. ДНК, РНК. Функции органоидов клетки, роль в наследственности.

. Строение ядра. Деление клетки. Митоз, амитоз, мейоз.

. Размножение организмов. Двойное оплодотворение у покрытосеменных растений. Нарушения двойного оплодотворения.

. Типы опыления.

. Цитоплазматическая мужская стерильность. Нехромосомные наследования.

. Изменчивость. Мутагенез. Химические и физические мутагены, их применение.

. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости В.Вавилова.

. ДНК и вирусы. Трансдукция. Трансформация. Генетическая роль ДНК.

. Синтез белка. Регуляция биосинтеза. Генетический контроль белкового синтеза. Химические основы наследственности.

. Структура и функции генов. Гибридизация соматических клеток. 14. Генетические основы онтогенеза. Управление онтогенезом. Экспрессивность и пенетрантность.

. Поведение как приспособление. Проблема наследования приобретенных признаков.

. Отдаленная гибридизация. Бесплодие отдаленных гибридов, его причины и способы преодоления.

. Инбридинг и гетерозис. Теория гетерозиса. Инцухт-линии.

. Генетические основы эволюции. Дрейф генов.

. Влияние условий онтогенеза на формирование организмов. Микроклональное размножение растений.

. Менделизм. Гибридологический анализ, его значение для селекции организмов.

. Хромосомная теория наследственности. Кроссинговер и его механизм.

. Неаллельное взаимодействие генов. Типы неаллельного взаимодействия генов

. Транскрипция, трансляция, генетичесикй код.

. Генетика популяций. Закон Харди-Вайнберга.

. Генетико-автоматические процессы.

. Генетический гомеостаз и полиморфизм популяций.

. Генная инженерия. Природа гена.

. Генетические системы растений, микро- и макроспорогенез, микро- и макрогаметогенез (симультанный, сукцессивный и промежуточный типы развития микроспор).

. Митотический индекс, способ его расчета.

. История развития генетики.

. Вклад ученых в развитие генетики как науки.

. Связь генетики с другими науками.

. Определение и развитие пола.

. Наследование признаков, сцепленных с полом.

.6 Перечень контрольных вопросов к итоговому контролю

1.       Предмет и задачи курса "Экологическая генетика".

2.       Пищевые цепи и пищевые сети экосистемы.

.        Молекулярные болезни человека.

.        Генетический контроль устойчивости организмов к факторам окружающей среды.

.        Канцерогенез.

.        Генетические подходы в экологической генетике.

.        Наследственно-обусловленные вариации ответов на лекарства.

.        Загрязнение атмосферы. Примеры мутаций, обуславливающих реакцию на загрязнение атмосферы.

.        Антропогенные факторы загрязнения среды.

.        Мутагенез.

.        Пути уменьшения генетической опасности.

.        Типы экологических отношений. Примеры.

.        Генетические подходы в экологической генетике.

.        Радиационный и химический мутагенез.

.        Экогенетическое действие факторов внешней среды.

.        Тест-системы и системы тестов в генетической токсикологии.

.        Биологические факторы как генетически активные факторы среды..

.        Генетический контроль синэкологических отношений в экосистеме.

.        Генетическая токсикология, ее связь с экологической генетикой.

.        Индуцированный мутагенез при действии мутагенов среды.

.        Эколого-генетические модели.

.        Физические факторы и отравления металлами.

.        Антимутагенез.

.        Генетическая колонизация.

.        Химические факторы - как генетически активные факторы среды. 3. Пищевые вещества и пищевые добавки. Примеры реакции у генетически чувствительных индивидов.

.        Пищевые вещества и пищевые добавки. Примеры реакции у генетически чувствительных индивидов.

.        Физические факторы как генетически активные факторы среды.

.        Генетический контроль аутэкологических отношений.

.        Примеры мониторинга в природных популяциях.

30.     Виды изменчивости

31.     Причины возникновения новых признаков организмов

.        Виды мутаций. Классификация

.        Интенсивность проявления мутаций

.        Экогенетическое действие факторов внешней среды

.        Наследственно-обусловленные патологические реакции на действие внешних факторов

.        Загрязнение атмосферы и гены

37.     Чувствительность к биологическим агентам

38.     Принцип дифференциации мутационного и сегрегационного груза

.        Популяции человека как объект генетического исследования в связи с состоянием окружающей среды

.        Проблемы оценки влияния загрязнителей биосферы на наследственность человека

.7 Глоссарий

Автогамия - самоопыление, попадание пыльцы на рыльце пестика своего же цветка.

Автогенез - ошибочное направление эволюционной теории, рассматривающее эволюцию как результат действия внутренних сил самого организма вне зависимости от условий внешней среды.

Автополиплоид (аутополиплоид, эуплоид ) - организм, возникший в результате кратного увеличения одного и того же набора хромосом.

Автосиндез - конъюгация между собой хромосом одной родительной формы у отдаленного гибрида.

Аддитивный эффект - суммарное выражение однозначно действующих полимерных генов.

Адекватные изменения - изменения, возникающие в том же направлении, что и вызывающее их воздействие.

Аллели множественные - несколько возникших путем мутаций состояний одного локуса хромосомы, отличающихся по своему проявлению.

Аллельные гены (аллели) - гены одной пары признаков, находящихся в одинаковых точках гомологичных хромосом. У диплоидного организма два аллели не могут находиться в одной гамете.

Аллогамия - опыление чужой пыльцы.

Аллополиплоид - полиплоидный организм, развивающийся в результате объединения наборов хромосом различных форм.

Аллосинтез - конъюгация хромосом у отдаленного гибрида.

Альбинизм - отсутствие окраски у всего организма или отдельных его частей, вызываемое генами или плазмогенами, препятствующими синтезу красящих пигментов.

Амфидиплоид - полиплоидный организм, возникший в результате удвоения хромосомных наборов двух разных видов или родов.

Амфимиксис - обычный тип полового процесса, при котором зародыш образуется в результате слияния женской и мужской гамет.

Анафаза - стадия митоза и мейоза, следующая за метафазой, во время которой дочерние хромосомы отходят по направлению к разным полюсам клетки.

Андрогенез - мужской партеногенез - развитие гаплоидного организма после оплодотворения, если ядро яйцеклетки по каким - либо причинам элиминировалось.

Анеуплоид (гетероплоид) - растение, имеющее уменьшенное или увеличенное число хромосом одной или нескольких гомологических пар.

Антигены - чужеродные для данного вида белки. При попадании в живой организм вызывают образование защитных веществ - антител.

Антимутаген - вещество, предупреждающее или снимающее действие мутагенов.

Антитела - вещества белкового происхождения, вырабатываемые организмом в ответ на введение в него антигенов. Способствуют выработке в организме иммунитета.

Апомиксис - развитие организма без слияния половых; из неоплодотворенной яйцеклетки (партеногенез), из вегетативной клетки зародышевого мешка (апогамия) или из вегетативной клетки окружающих его тканей (апоспория).

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, универсальный источник энергии для всех процессов, протекающих в клетке. Состоит из аденина, рибозы и трех фосфатных групп.

Аутбридинг - скрещивание между неродственными особями.

Аутосомы - обычные, не половые хромосомы.

Ахроматин - вещество клеточного ядра, не окрашивающееся характерными для хромосом красителями.

Бактериальная трансформация - перенос с помощью ДНК наследственных признаков от одного штамма бактерий к другому.

Бактериофаг (пожиратель бактерий) - вирус, паразитирующий на бактериях и вызывающий их лизис (растворение).

Бивалент - две гомологичные хромосомы, конъюгирующие между собой в мейозе.

Биотип - группа генетически идентичных особей.

Варианса - отношение суммы квадратов отклонений значений отдельных вариант от средней для данного вариационного ряда к числу степеней свободы.

Варианта - значение любого члена вариационного ряда, составленного по какому - либо количественному признаку.

Возвратные скрещивания (беккроссы) - скрещивания, при которых гибрид повторно (однократно или многократно) скрещивается с одной из родительских форм.

Вид - репродуктивно изолированная совокупность скрещивающихся популяций.

Гаметофит - половое поколение у цветковых растений, несущее половинное число хромосом, в противоположность спорофиту, развивающемуся в результате оплодотворения и имеющему двойное (диплоидное) число хромосом.

Гаметы - зрелые мужские и женские половые клетки, содержащие гаплоидное (половинное) число хромосом по сравнению с остальными клетками тела.

Гаплоид - организм, в клетках которого содержится в 2 раза меньше хромосом (n), чем у исходной формы.

Гексаплоид - организм, клетки которого содержат шесть основных наборов хромосом (6x).

Гемизиготность - случай, когда особь имеет только одну хромосому и, следовательно, не может быть ни гомо- , ни гетерозиготной. Гемизиготными по генам, содержащимися в Х - хромосоме, являются самцы дрозофилы.

Ген - основной материальный элемент наследственности, участок молекулы ДНК, входящей в состав хромосом. Контролирует определенную ступень обмена веществ в организме и оказывает тем самым специфическое действие на развитие одного или нескольких признаков.

Генеральная совокупность - совокупность единиц - особей или признаков, из которой отбираются варианты для совместного изучения. Часть единиц, отобранная для изучения генеральной совокупности, называется выборочной совокупностью (выборкой).

Генерация - поколение организмов.

Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов.

Генетический анализ - основной метод изучения характера действия и числа генов, определяющих наследование данного признака. Включает гибридологический, мутационный методы.

Генетический груз - уменьшение приспособленности популяций, вызванное вредными генами.

Геноинженерия - целенаправленное изменение генетических программ клеток для придания исходным формам новых свойств или создания принципиальной генетической информации, гибридизации соматических клеток и другими приемами.

Геном - основной гаплоидный набор хромосом; совокупность качественно различных хромосом, содержащих полный одинарный набор генов.

Генотип - совокупность всех генов, определяющих развитие признаков и свойств растений.

Генофонд - совокупность генов популяции, характеризующаяся определенной их частотой.

Гены - модификаторы - неаллельные гены, изменяющие проявление признаков, контролируемого в основном другим геном. Самостоятельно не проявляются, но могут усиливать или ослаблять действие главного гена.

Гены структурные - гены, несущие информацию о последовательности аминокислот в белковой молекуле, т. е. определяющие первичную структуру белков.

Гетерозиготный организм - особь, содержащая в клетках тела разные гены данной аллельной пары, например Аа. При размножении такой особи происходит расщепление.

Гетерозис - увеличение мощности, повышение жизнеспособности, возрастание продуктивности гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами.

Гетерокарионы - первичные продукты двух слияния соматических клеток, имеющих в одной общей цитоплазме два или несколько разных ядер.

Гибрид - организм, сочетающий в себе признаки и свойства генетически различающихся родительских форм.

Гибридизация - процесс создание новых форм путем рекомбинации признаков и свойств в результате скрещивания.

Гибридная популяция - совокупность наследственно различающихся особей, полученная в результате скрещивания.

Гибридное растение - растение, полученное в результате скрещивания генетически различающихся родительских форм.

Гомеостаз генетический - поддержание под влиянием естественного отбора частоты генов в популяции на определенном относительно постоянном уровне.

Гомозиготный организм - особь, содержащая в клетках тела одинаковые гены данной аллельной пары (АА или аа). При размножении такой особи расщепления по этим признакам быть не может.

Гомологические хромосомы - парные, соответствующие, полученные при оплодотворении хромосомы, нормально конъюгирующие между собой и мейозе.

Группа сцепления - совокупность всех генов, локализованных в одной хромосоме, благодаря чему они наследуются совместно (сцеплено).

Двойное оплодотворение у покрытосеменных растений - яйцеклетка оплодотворяется одним, а диплоидное ядро эндосперма - другим спермием генеративной клетки. В результате возникают диплоидная зигота (2n), триплоидный эндосперм (3n).

Делеция (нехватка) - выпадение участка хромосомы, содержащего один или несколько генов.

Диаллельные (циклические) скрещивания - скрещивания, применяемые для определения специфической комбинационной способности самоопыленных линий. При этом каждая линия скрещивается со всеми остальными для всех возможных комбинаций.

Дигаплоид - особь, происходящая от тетраплоидной формы, но имеющая по сравнению с ней в 2 раза меньше хромосом (2х вместо 4х).

Дигибридное скрещивание - скрещивание при различии родительских особей по двум парам аллелей.

Диплоид - организм с двумя гомологичными наборами хромосом в соматических клетках (2 n): один привнесен в зиготу женской, а второй - мужской родительской формой.

Дискретное строение наследственного материала - строение ДНК и хромосом, состоящих из отдельных единиц - генов, способных к рекомбинации, определяющих развитие различных признаков и относительно независимых друг от друга.

Дисперсия - статистический показатель выборки, характеризующий отклонения от среднего значения.

Длительные модификации - передающиеся в течение нескольких поколений изменения компонентов цитоплазмы, индуцированные внешними воздействиями.

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота. Основной материальный носитель наследственности. Биополимер, молекула которого состоит из двух полинуклеотидных цепей, свернутых в спираль. В состав отдельных нуклеотидов ДНК входят азотистые основания, сахар дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Доминантный ген - один из пары аллельных генов, подавляющий в гетерозиготном состоянии проявление другого (рецессивного) гена.

Доминирование - подавление у гибридных организмов одних признаков другими. Может быть полным, когда гетерозигота Аа фенотипически не отличаются от гомозиготы АА, и неполным, когда доминантный ген не полностью подавляет проявление своего рецессивного аллеля.

Дрейф генов - генетические изменения в популяциях, вызванные скорее случайными явлениями, чем отбором.

Дупликация - удвоение какого - либо участка хромосомы.

Зигота - оплодотворенная яйцеклетка, дающая начало развитию нового организма, имеет двойное, диплоидное (2n) число хромосом.

Изменчивость - процесс возникновения различий между особями по ряду признаков тела или отдельных его органов (размеры, форма, окраска, химический состав) и их функций. Может быть наследственной и модификационной.

Инбредный минимум (инцухт - минимум) - состояние инбредного потомства, когда депрессия достигла наивысшего выражения и дальнейшего снижения жизнеспособности особей в последующих пополнениях не происходит, а потомство становится однородным.

Инбридинг (инцухт) - принудительное самоопыление или скрещивание между родственными особями перекрестноопыляющихся растений. В результате инбридинга получаются инбредные линии (инцухт-линии), называемые также самоопыленными линиями.

Инверсия - хромосомная мутация, возникающая в результате двух разрывов и перевертывания участка хромосомы на 180*. При этом последовательность генов изменяется так: abcd-acbd.

Интеркинез (интерфаза) - стадия покоя между первым и вторым делениями мейоза или между двумя митозами, когда в клетке происходит все процессы биосинтеза.

Интерференция - подавление кроссинговера в близких участках хромосомы под влиянием кроссинговера, происходящего в соседних районах.

Интрогрессия - включение генов одного вида в генофонд другого.

Информационная РНК (и-РНК)- РНК, играющая роль переносчика информации от ДНК к рибосомам. Состав оснований в молекуле информационной РНК аналогичен ДНК, только вместо Тимина содержится урацил. На информационной РНК, как на матрице, происходит синтез белка из аминокислот.

Инцухт - см. инбридинг.

Инцухт - линия(самоопыленная линия) - потомство одного перекрестноопыляющегося растения, полученное в результате принудительного самоопыления.

Кариогамия - слияние ядер мужской и женской гамет в ядро зиготы. Составляет основу процесса оплодотворения.

Кариокинез - см. митоз.

Кариотип - совокупность хромосом организма, характеризующаяся их числом, величиной и формой.

К - митоз - митоз, заторможенный инактивацией веретена под воздействием колхицина.

Кодон - единица наследственной информации, состоящая из трех расположенных в определенной последовательности азотистых оснований и контролирующая положение конкретной аминокислоты в полипептидной цепи.

Колхицин - алкалоид, сильный растительный яд. Разрушая веретено клеточного деления, вызывает образование клеток с удвоенным числом хромосом.

Комбинационная (гибридная) изменчивость - наследственная изменчивость, возникающая в результате сочетания и взаимодействия генов при скрещивании.

Комплементарное действие генов - совместное, дополняющее друг друга действием двух или большего числа генов на развитие какого-либо признака.

Конъюгация хромосом (синопсис) - сближение гомологичных хромосом в профазе мейоза, когда между ними возможен взаимный обмен отдельными участками.

Коэффициент инбридинга (инцухта)- степень увеличения гомозиготности в популяции под влиянием близкородственного скрещивания.

Коэффициент наследуемости - доля генетической изменчивости в общей фенотипической изменчивости какого-либо признака. Чем выше коэффициент наследуемости данного признака, тем эффективнее отбор по фенотипу.

Кроссбридинг (ксеногамия)- перекрестное опыление.

Кроссинговер - перекрест хромосом, в результате которого между ними может происходить обмен гомологичными (одинаковыми) участками.

Ксенийность - непосредственное проявление признаков отцовского организма на эндосперме семени (Ксении 1-гопорядка) или околоплоднике (Ксении 2-го порядка) материнских растений.

Летальный ген - ген, вызывающий в гомозиготном состоянии гибель организма.

Линия растений - потомство одного гомозиготного по всем генам самоопыляющегося растения.

Локус хромосомы - участок хромосомы, в котором локализован ген.

Макроспорогенез (мегаспорогенез) - процесс образования макроспор (мегаспор). Одна из макроспор, формулируется в семяпочке, даёт зародышевый мешок.

Материнская наследственность - наследственность, определяемая факторами цитоплазмы или пластид и передаваемая только женскими организмами.

Мейоз - особый тип клеточного деления, происходящий при развитии половых клеток или спор, приводящий к уменьшению (редукции) числа хромосом вдвое. В процессе мейоза происходит два последовательных деления ядра, а удваивается хромосомы только один рас. В мейозе конъюгируют гомологичные хромосомы.

Малые мутации - наследственные изменения, в незначительной степени затрагивающие физиологические морфологические признаки организмов.

Метафаза - средняя, вторая, митоза или мейоза, во время которого хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки, образуя ядерную пластинку.

Микроспорогенез - процесс образования пыльцы в пыльниках покрытосеменных растений. Гиплоидные клетки (микроспоры), возникающие в результате двух мейотических делений, развиваются в пыльцевые зерна.

Митоз - деление клетки, в результате которого происходит сначала удвоение хромосом, а затем их равномерное распределение между двумя вновь возникающими клетками.

Митохондрии - нитевидные или гранулярные образования, состоящие из белка, липидов, РНК и ДНК. Являются центрами клеточного дыхания, обмена веществ и генерирования энергии. В них вырабатывается АТФ.

Модификация - различия в степени проявления какого-либо признака под влиянием меняющихся внешних условий.

Молекулярная генетика - наука, изучающая явления наследственности и изменчивости на основе (уровне) молекулярных структур клетки.

Моногибридное скрещивание - скрещивание организмов, различающихся по одной паре аллелей.

Моносомик - анеуплоид, в диплоидном наборе которого одна из парных хромосом представлена в единственном числе (2п-1).

Моносомный анализ - генетический анализ, основанный на использовании моносомиков и нуллисомиков.

Мутагенез - процесс возникновения наследственных изменений (мутаций) под влиянием естественных и искусственных факторов (мутагенов).

Мутагены - факторы, вызывающие мутации. Подразделяются на физические и химические.

Мутант - организм, у которого в результате мутации возникло изменение какого-либо признака или свойства.

Мутация - новое наследственное изменение, возникающие независимо от скрещивания и связанное с изменением ДНК хромосом.

Наследственное - это процесс передачи наследственной информации от одного поколения организмов другому.

Наследственная информация - порядок нуклеотидов ДНК и РНК, контролирующий синтез определенных белков и развитие на их основе соответствующих признаков организма.

Наследственность - процесс воспроизведения организмами в ряду последовательных поколений сходного типа обмена веществ, признаков и свойств.

Наследственный (генетический) код - последовательность расположения азотистых оснований в ДНК, определяющая расположение аминокислот в синтезируемом белке.

Наследственный фактор - см. ген.

Наследуемость - доля гимотипически обусловленный изменчивости (генетический компонент) в общей фенотипической изменчивости организмов.

Насыщающие скрещивания - многократное скрещивание гибридов и какой-либо комбинации с отцовской исходной формой. При этом происходит насыщение материнской формы ядерным материалом отцовской формы.

Несовместимости генов (S - факторы) - гены, обусловливающие совместимость или несовместимость двух гамет и, следовательно, возможность оплодотворения.

Норма реакции - способность реагирования организма на изменение окружающих условий. Определяется генотипом и проявляется в форме модификаций.

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные вещества, биополимеры, хранящие и передающие у всех организмов наследственную информацию. Состоят из нуклеотидов, последовательность которых определяет синтез специфических белков. Представлены двумя типами: ДНК и РНК.

Нуклеотид - сложенное органическое вещество, состоящие из азотистого основания, сахара рибозы или дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Нуклеотиды входят в состав молекул ДНК и РНК.

Нуллисомик - растение, у которого в диплоидном наборе отсутствует пара гомологичных хромосом (2п-2).

Обратная мутация - мутация ранее мутировавшего гена вновь в исходное состояние (А=а).

Обратная транскриптаза (ревертаза) - фермент, с помощью которого осуществляется обратная транскрипция - синтез ДНК на и - РНК- матрице.

Общая комбинационная способность - средняя ценность самоопылённых линий в гибридных комбинациях. Определяется в результате скрещивания линий с каким-либо сортом или гибридом (тестером).

Онтогенез - индивидуальное развитие организма от оплодотворения яйцеклетки до естественной смерти.

Оперон - генетическая единица транскрипции кода ДНК. Совокупность генов, составляющих функциональную единицу хромосом. Состоит из структурных генов и гена-оператора.

Основное число хромосом (Х) - исходный хромосомный набор, благодаря умножению которого образовался данный полиплоидный ряд. У диплоидных видов основное число хромосом равно гаплоидному их числу.

Отбор стабилизирующий - устранение всех фенотипов, слишком сильно уклоняющихся от среднего фенотипа популяции, и как следствие этого - устранение генов, определяющих развитие таких уклоняющихся фенотипов.

Отдаленная гибридизация - скрещивание организмов, относящихся к разным видам или родам.

Панмиксия - свободное, на случайности, скрещивание особей в пределах популяции.

Партеногенез - развитие нового организма из неоплодотворенной яйцеклетки.

Перекрест (кроссинговер) - обмен гомологичными участками у хромосом одной пары, приводящий к перекомбинации генов.

Плазмиды - внехромосомные молекулы ДНК, способные к автоплоидной репликации и передающиеся в дочерние клетки при делении бактерий.

Плазмогены - наследственные факторы, локализованные в цитоплазме, способные к авторепродукции и передачи наследственной информации.

Плейотропия - способность гена оказывать влияние одновременно на несколько признаков организма. Свойственно большинству генов.

Плоидность - число генов в клетках данного организма.

Полигены - гены, контролирующие количественную (полигенную) генетическую изменчивость. Действие полигенов в сильной степени зависит от внешних условий: анализируется оно методом математической генетики.

Полигибрид - гибрид, полученный в результате скрещивания особей, различающихся по нескольким признакам.

Полимерные (однозначные - множественные ) гены - неаллельные гены, действующие на один и тот же признак одинаковым образом.

Полиплоидия - наследственные изменения, связанные с увеличением числа хромосом.

Полирибосомы - комплекс рибосом, связанных молекул РНК. Участвуют в синтезе крупных белковых молекул.

Половые хромосомы - хромосомы, различающиеся по структуре и функциям у разных полов и определяющие развитие полов.

Популяция - совокупность особей одного вида, заселяющих определенную территорию, свободно скрещивающихся друг с другом и в той или иной степени изолированных от других совокупностей. В селекции под популяцией понимают группу особей, имеющих наследственные различия.

Приобретенные признаки или свойства - черты, отсутствовавшие у предков данной особи и приобретенные организмом в течении его онтогенеза.

Прокариоты - организмы (бактерии и сине-зеленые водоросли), у которых генетический материал представлен молекулой ДНК, прямо включен в цитоплазму.

Профаза мейоза - первая стадия 1-го деления мейоза, во время которой происходит конъюгация хромосом и обмен участками между ними (кроссинговер).

Профаза митоза - первая стадия митоза, во время которой хромосомы благодаря спирализации становятся видимыми.

Пуфы - вздутия, представляющие собой активные участки гигантских полигенных хромосом, в которых происходит синтез РНК.

Расщепление - появление разнообразных форм в гибридных поколениях в результате рекомбинации аллельных и неаллельных генов в процессе мейоза.

Редукционное деление - см. мейоз.

Рекомбинация - перегруппировка родительских генов при мейозе в результате кроссинговера.

Репарация - самовостановлене первичной структуры ДНК, следующие после нарушения ее физическими или химическими мутагенами.

Репликация ДНК - удвоение молекулы ДНК. Двоичная цепь ее сначала разделяется на две, и на каждой из них достраивается новые компплементарные дочерние цепи нуклеотидов под действием ДНК-полимеразы.

Рецессивный признак - признак, подавляемый в гибридном организме действием доминантного гена той же аллельной пары.

Реципрокные (взаимные) скрещивание - скрещивания между двумя формами, когда каждая из них в одном случае берется в качестве материнской, а другой - в качестве отцовской формы.

Рибосомы - очень мелкие сферические частицы в цитоплазме, в которых происходит синтез белковых молекул.

РНК- рибонуклеиновая кислота, биологический полимер, участвующий в биосинтезе белка. Состоит из нуклеотидов, соединенных в виде спиралевидной цепочки. В состав каждой из них входят: азотистые основания, (аденин, гуанин, цитозин, урацил), сахар рибоза и фосфорная кислота.аллели - аллели генов несовместимости у растений.

Самонесовместимость - невозможность самооплодотворения растений, имеющих обоеполые цветки. Самонесовместимость является механизмом, препятствующим инбридингу и способствующим кроссбридингу.

Сверхдоминирование - большая мощность и жизнеспособность гетерозиготы по сравнению с обеими гомозиготами по данной паре аллелей (АА<Аа>аа).

Серия аллелей - ряд изменений одного и того же гена.

Сексвидиплоид - отдаленный гибрид, у которого хромосомный комплекс одного вида представлен двойным, а другой - обычным диплоидным набором хромосом.

Синапсис (синтез) - конъюгация гомологичных хромосом в профазе мейоза.

Сингамия- слияние гамет.

Спектр мутаций - совокупность всех мутаций, возникающих у организма под действием определенного мутагена.

Спермий - название мужской половой клетки у растений.

Специфическая комбинационная способность - повышенная ценность самоопыленной линии в какой-либо конкретной комбинации. Определяется путем скрещивания многих линий между собой.

Спонтанные мутации - естественно возникающие наследственные изменения.

Спорофит- бесполое диплоидное поколение жизненного цикла растений. Начинается с оплодотворения яйцеклетки и заканчивается образованием спор.

Стохастический процесс - процесс, результаты которого могут быть предназначены с определенной вероятностью ( в противоположность детерминированному процессу).

Сублетальные гены - полулетальные гены, наличие которых приводят к гибели более 50% особей.

Супермутагены - сверхмутагены, химические мутагенные вещества, вызывающие наибольшее число мутаций, например нитрозоэтилмочевина или нитрозометилмочевина.

Сцепление - совместная передача потомству генов в тех же комбинациях, в каких они были у родительских форм. Связанные с локализацией генов в одной хромосом (группе сцепления).

Телофаза - четвертая, последняя фаза митоза или мейоза, во время которого происходит деспирализация хромосом и образование дочерних ядер.

Тетравалент - (квадривалент) - группа из четырех гомологических хромосом полиплоидного организма, конъюгирующих между собой в мейозе.

Тетраплоид - организм, имеющий в клетках тела четыре основных (гаплоидных) набора хромосом (4х).

Тетрасомик - анеуплоид, в диплоидном наборе которого одна из хромосом представлена четыре раза (2п+2).

Точковая (генная ) мутация - микроскопически невидимая мутация, затрагивающая очень небольшой участок хромосом.

Трансгеноз - перенос наследственной информации от одной клетки в другую с последующим фенотипическим.

Трансгрессии - суммирующее действие полимерных генов, вызывающих увеличение или уменьшение какого-либо признака или свойств.

Трансдукция - перенос генетической информации из одной бактериальной клетки в другую, осуществляемый ДНК фагов.

Транскрипция - перенос (переписывание) информации о нуклеотидном строении ДНК на и - РНК.

Транслокация - один из видов перестроек хромосом, при котором происходит обмен участками гомологичных хромосом.

Трансляция - перевод информации о нуклеотидном строении и-РНК на аминокислотное строение белков. В этот процесс матрицей для биосинтеза белка служит и - РНК.

Транспортная РНК (т-РНК) - один из видов РНК, играющий роль переносчика аминокислот к рибосомам, где они связываются в полипептидную цепь. Число различных молекул т-РНК соответствует числу аминокислот, участвующих в синтезе белка.

Тригибрид - гибрид, гетерозиготный по трем парам аллелей.

Триплет - структурный элемент гена, состоящий из трех соединенных в определенной последовательности азотистых оснований и кодирующий одну аминокислоту.

Триплоид - организм, клетки которого имеют три основных (гаплоидных) набора хромосом.

Трисомик - анеуплоид, в диплоидном наборе которого одна из хромосом представлена 3 раза (2п +1).

Тритикале - пшенично-ржаные 56- или 42-хромосомные амфидиплоиды.

Униваленты - единичные, неконъюгирующие хромосомы в первом делении мейоза. Распределяется к полюсам клетки в анафазе случайно.

Фенотип - совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся на основе генотипа во взаимодействии с условиями с условиями внешней среды.

Фенокопия - модификация фенотипа ( вызванная особыми условиями среды), напоминающая изменение фенотипа, обусловленное мутацией.

Флюктуация - особая форма модификации, состоящая в плавном, очень постепенном изменении признака.

Хиазма - характерная фигура, образующаяся на стадии диплонемы мейоза в результате перекрещивания двух хроматид пары гомологичных хромосом.

Химеры - растения, состоящие из тканей разных генотипов. Получаются в результате соматических мутаций, а также при прививках, когда в месте срастания закладывается почки, в которых части тканей принадлежат привою, а часть подвою.

Хроматиды - одна из двух продольных нитей, входящих в состав хромосом. Хроматиды хорошо видны во время профазы и метафазы, а в стадии анафазы они уже становятся самостоятельными хромосомами.

Хроматин - основное вещество клеточного ядра нуклеопротеидного состава, хорошо окрашивающееся основными анилиновыми красителями.

Хромонемы - нуклеопротеидные нити, структурные субъединицы хромосом.

Хромосомные аберрации - различные изменения структур хромосом (нехватки, транслокации, инверсии, дупликации).

Хромосомный комплекс - набор хромосом, свойственный данному виду.

Хромосомный набор - совокупность хромосом, свойственная клетка данного организма. Известны два типа: гаплоидный - в зрелых половых клетках (п) и диплоидный -0 в соматических клетках (2п).

Хромосомы - окрашивающиеся основными красителями элементы клеточного ядра, состоят из ДНК и белков. Основные носители наследственной информации организма.

Цитогенетика - наука, изучающая явления наследственности и изменчивости организмов в связи с поведением клеточных структур, особенно хромосом.

Цитология - наука о клетке, изучает ее структуру (строение) и функции (жизнедеятельности).

Цитоплазма - вся масса клетки, за исключением ядра. Содержит органоиды, выполняющие различные функции (эндоплазматическая сеть, митохондрии, рибосомы, пластиды и др.).

ЦМС - цитоплазматическая мужская стерильность, наследственно обусловленная стерильность пыльцы, передаваемая через цитоплазму только по материнской линии.

Эпистаз - взаимодействие неаллельных генов, при котором аллель одного гена подавляет действие аллелей других генов (А>В).

Эукариоты - организмы, у которых генетический материал сосредоточен в хромосомах клеточного ядра, отграниченного от цитоплазмы. К ним относятся все организмы, кроме бактерий и сине-зеленых водорослей. Эукариотам свойствен митоз и мейоз.

Эффект положения гена - различия в фенотипическом проявлении гена, обусловленное изменением его положения в хромосоме по отношению к другим генам.

Ядро клеточное - важнейшая часть клетки, центр управления всеми процессами ее жизнедеятельности. В ядре сосредоточены материальные носители наследственности организма - хромосомы.

Яйцеклетка (яйцо) - женская половая клетка.

Х-хромосома - парная половая хромосома в клетках особей гомогаметного пола (ХX).

Y-хромосома - непарная половая хромосома в клетках особей гетерогаметного пола (YХ).

Экология - это наука, изучающая закономерности взаимоотношений организмов между собой и с окружающей средой, структуру и функционирование надорганизменных биологических систем.

Экологические факторы - это отдельные элементы среды, взаимодействующие с организмами, на которые живое реагирует приспособительными реакциями.

Экологическая ниша - это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе.

Биологический оптимум - это сочетание интенсивности факторов, соответствующее наилучшим показателям для жизнедеятельности организма.

Толерантность - способность организмов переносить отклонения экологических факторов от оптимальных для себя значений.

Экологическая валентность - это степень приспособляемости вида к изменениям условий среды.

Эврибионт - это организм, способный существовать при широких изменениях факторов окружающей среды.

Стенобионт - это организм, способный обитать только в условиях устойчивого постоянства какого-либо фактора или групп взаимодействующих факторов окружающей среды.

Ограничивающий фактор - это фактор среды, вышедший за границы выносливости данного вида и затрудняющий его существование в данных условиях, несмотря на оптимальное сочетание остальных факторов.

Фотопериодизм - это реакция организмов на смену дня и ночи, проявляющаяся в колебаниях интенсивности физиологических процессов.

Анабиоз - это временное состояние организма, при котором жизненные процессы замедлены до минимума и все видимые признаки жизни отсутствуют.

Фенология - это наука о сезонных явлениях природы и сезонных аспектах жизнедеятельности отдельных видов организмов.

Биоритмы - это периодически повторяющиеся колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений, дающие возможность приспосабливаться к изменениям среды.

Биоценоз, или сообщество - это взаимосвязанная совокупность популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих однородный участок суши или водоема.

Биотоп - это относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое одним биоценозом.

Экосистема - это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная самоподдерживающаяся и саморегулирующаяся биологическая система, состоящая из организмов и абиотической среды, объединенных обменом веществ и энергии.

Климатоп - это сочетание физико-химических характеристик среды (газовый состав, влажность, температура и т. п.), существенных для населяющих эту среду организмов и их сообществ.

Эдафотоп, или эдатоп - это совокупность условий среды обитания организмов и их сообществ, создаваемых почвой.

Стация - это часть местообитания вида, характеризующаяся особыми экологическими условиями и обычно используемая для питания, размножения, переживания неблагоприятных условий.

Продуценты - это организмы-автотрофы, производящие органические вещества из неорганических; являются первичным звеном в пищевых цепях экосистем.

Консументы - это организмы- гетеротрофы, потребляющие готовые органические вещества, созданные организмами- автотрофами.

Редуценты - это организмы- гетеротрофы, превращающие в ходе своей жизнедеятельности органические остатки в неорганические вещества.

Эдификаторы - это виды организмов, главным образом растений, играющие ведущую роль в организации структуры и функционировании экосистемы.

Детрит - это мелкие органические частицы, остатки разложившихся животных, растений и грибов вместе с содержащимся в них микроорганизмами; играют важную роль в круговороте веществ в экосистеме.

Ярусность - это расчлененность наземной экосистемы на слагающие ее структурные и функциональные слои.

Экологические пирамиды - это графическое изображение соотношения между основными функциональными группами организмов в экосистеме, выражаемое в единицах массы, числе особей или количестве энергии.

Биомасса - это выраженное в единицах массы или энергии количество живого вещества тех или иных организмов, приходящееся на единицу площади или объема экосистемы.

Продуктивность, или продукция - это прирост живого вещества, производимый популяцией или сообществом за единицу времени на единицу площади или объема.

Эвтрофикация - это накопление в водных экосистемах биогенных элементов под воздействием антропогенных или природных факторов.

Сукцессия - это последовательная смена экосистем, преемственно возникающих на определенном участке земной поверхности под влиянием внешних и внутренних процессов.

Климакс - это заключительное, относительно устойчивое состояние сменяющих друг друга экосистем, в значительной мере соответствующее экологическим условиям данной местности.

Агроценоз, или агробиоценоз - это сообщество растений, животных, грибов и микроорганизмов, созданное для получения сельскохозяйственной продукции, поддерживаемое и регулируемое человеком.

Биом - это совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтно-географической зоне.

Биогеохимический круговорот, или биогеохимические циклы - это постоянный обмен веществ и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и имеющий замкнутый характер.

Планктон - это совокупность организмов, обитающих в толще воды и неспособных активно противостоять течению.

Бентос - это совокупность организмов, обитающих на дне водоемов, в его грунте и на грунте.

Ноосфера - это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества.

Мониторинг - это комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или ее отдельных элементов, возникающих под влиянием антропогенных воздействий.

Биоиндикаторы - это организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания.

Кадастр - это систематизированный свод данных, включающий качественную и количественную опись биологических объектов или явлений с их эколого-социальной оценкой.

.8 Примерные тестовые вопросы к итоговому контролю знаний

Микроскоп

.        Назовите компонент оптической части светового микроскопа.

a)       Окуляр

b)      Предметный столик)    Подошва)   Колонка)    Тубус

1.       Назовите компонент оптической части светового микроскопа.

a)       Тубус

b)      Предметный столик)    Подошва)   Колонка)    Зеркало

2.       Назовите компонент механической части светового микроскопа.

a)       Объектив

b)      Конденсор)         Предметный столик)    Зеркало)     Револьвер

3.       Как называется элемент микроскопа, собирающий световые лучи в пучок?

a)       Объектив

b)      Конденсор)         Предметный столик)    Зеркало)     Револьвер

4.       Как называется элемент микроскопа, увеличивающий изображение предмета?

a)       Объектив

b)      Конденсор)         Предметный столик)    Зеркало)     Револьвер

5.       При использовании какой микроскопии достигается наибольшая разрешающая способность микроскопа?

a)       Световая

b)      Темновая)  Фазово-контрастная)    Электронная)      Люминесцентная

6.       При какой микроскопии свет подается сбоку?

a)       Световая

b)      Темновая)  Фазово-контрастная)    Электронная)      Люминесцентная

7.       При какой микроскопии объекты исследований обрабатываются флюорисцентами?

a)       Световая

b)      Темновая)  Фазово-контрастная)    Электронная)      Люминесцентная

8.       Какой предмет используют для наблюдения за клетками?

a)       Телескоп

b)      Подзорная труба)         Микроскоп)        Лупа)          Бинокль

9.       Какой цвет имеет поле зрения при световой микроскопии?

a)       Черный

b)      Белый)       Серый)       Прозрачный)       Бесцветный

10.     Кто из ниже перечисленных ученых изобрел микроскоп?

a)       Р. Гук

b)      Я. Пуркинье)       Р. Броун)   Т. Шванн)  Д. Моль

11.     Как по-другому называется вспомогательная система микроскопа?

а) Оптическая

b) Механическая

c) Иммерсионная

d) Тубус

e) Штатив

. Дайте другое название основной системе микроскопа.

а) Оптическая

b) Механическая

c) Иммерсионная

d) Тубус

e) Штатив

. Укажите части вспомогательной системы микроскопа.

а) Штатив

b) Штатив, тубус

c) Штатив, тубус, колонка

d) Штатив, тубус, колонка, основание, макро- и микровинты

e) Штатив, тубус, колонка, основание, макро- и микровинты, предметный столик, клеммы

. Укажите части оптической системы микроскопа.

а) Окуляр

b) Окуляр, объективы

c) Окуляр, объективы, конденсор

d) Окуляр, объективы, конденсор, зеркало

e) Окуляр, объективы, конденсор, зеркало, линзы тубуса

. Как называется микроскопия, при которой для исследования объекта используется энергия света?

а) Световая

b) Электронная

c) В темном поле

d) Фазово-контрастная

e) Люминесцентная

. Как называется наименьшее расстояние между двумя точками, в котором просматриваются какие-либо детали в микроскоп?

а) Фокусное расстояние

b) Разрешающая способность

c) Числовая апертура

d) Увеличительная способность

e) Угол преломления

. Какой ученый разработал метод наблюдения за микроскопическими объектами в темном поле?

а) Гук

b) Цернике

c) Зигмонди

d) Броун

e) Мейсель

. Какой ученый предложил для наблюдения за прозрачными объектами фазово-контрастную микроскопию?

а) Гук

b) Цернике

c) Зигмонди

d) Броун

e) Мейсель

. Какой ученый разработал метод люминесцентной микроскопии?

а) Гук

b) Цернике

c) Зигмонди

d) Броун

e) Мейсель

. Как называется метод микроскопии, при котором невидимые фазовые изменения преобразуются в видимые амплитудные?

а) Световая

b) Электронная

c) В темном поле

d) Фазово-контрастная

e) Люминесцентная

Генетика - наука о наследственности и изменчивости

.        Как называется наука о наследственности и изменчивости?

a)       Ботаника

b)      Генетика)   Микробиология) Селекция)  Физиология

.        Что значит термин "geneticos"?

a)       Происхождение

b)      Наследственность)       Изменчивость)    Размножение)     Деление

.        Дайте название процессу воспроизведения организмами в ряду поколений сходных признаков и свойств.

a)       Происхождение

b)      Наследственность)       Изменчивость)    Размножение)     Деление

.        Как называется процесс возникновения в ряду поколений новых признаков и свойств?

a)       Происхождение

b)      Наследственность)       Изменчивость)    Размножение)     Деление

.        Кто является основоположником генетики?

a)       Ч.Дарвин

b)      Т.Морган)  Р.Гук)         К. Корренс)        Г.Мендель

.        Какой из перечисленных методов генетики является основным?

a)       Цитологический

b)      Статистический) Онтогенетический)      Гибридологический)    Физиологический

.        При помощи какого метода генетики изучают математические закономерности наследственности и изменчивости?

a)       Цитологический

b)      Статистический) Онтогенетический)      Гибридологический)    Физиологический

.        Какой метод применяется для изучения структур клеток в связи с размножением?

a)       Цитологический

b)      Статистический) Онтогенетический)      Гибридологический)    Физиологический

.        Метод для изучения действия генов в индивидуальном развитии - это

a)       Цитологический

b)      Статистический) Онтогенетический)      Гибридологический)    Физиологический

.        Какой ученый дал название генетике?

а) Р.Гук

b) Г.Мендель

c) В.Бэтсон

d) К.Корренс

e) Э.Чермак

. Кем в 1900 году были переоткрыты закономерности Менделя, опубликованные в 1865 г.?

а) Р.Гук

b) Т.Морган

c) В.Бэтсон, Э.Вильсон, Т.Бовери

d) К.Корренс, Э.Чермак, Г.Де-Фриз

e) Э.Чермак

Изменчивость

.Как называется изменчивость, проявляющаяся в реакциях одного и того же генотипа на изменения условий среды?

Генотипическая

Модификационная

Мутационная

Комбинационная

Гибридная

. Что такое норма реакции?

Способность реагировать на условия внешней среды

Варьирование признака

Изменение клеточных структур

Изменение генотипа

Подавление признака

. Как называется прерывистое, скачкообразное изменение наследственности?

Модификация

Мутация

Норма реакции

Рекон

Сайт

.Варьирование признака показывает

Коэффициент вариации

Коэффициент инбридинга

Коэффициент наследуемости

Предельно допустимый коэффициент

Генеральная совокупность

.Как называется изменчивость, связанная с изменением клеточных структур?

Генотипическая

Модификационная

Фенотипическая

Ненаследственная

Норма реакции

. Изменчивость, не вызывающая изменения генотипа, называется…

генотипическая

модификационная

мутационная

комбинационная

гибридная

. Как называется изменчивость, появляющаяся в результате взаимодействия генов родительских форм?

Генотипическая

Модификационная

Мутационная

Комбинационная

Ненаследственная

. Как называется изменчивость, вызывающая структурные изменения генов и хромосом?

Генотипическая

Модификационная

Мутационная

Комбинационная

Ненаследственная

. Какой ученый ввел в науку термин "мутация"?

Р. Гук

Я. Пуркинье

Г. Де-Фриз

Т. Шванн

Д. Моль

. Появление у живых организмов мутаций без видимых причин, называется…

естественным мутагенезом

нормой реакции

химическим мутагенезом

физическим мутагенезом

гибридизацией

. Назовите причину спонтанного (естественного) мутагенеза?

Направленное действие химических веществ

Действие излучения космических лучей и радиоактивных элементов земной коры

Направленное действие ионизирующих излучений

Обработка организма этиленгликолем

Направленное действие УФ-лучей, ионизирущих излучений, химических веществ

. Назовите основоположника мутационной теории.

Р. Гук

Я. Пуркинье

Т. Шванн

Д. Моль

. Как называются искусственные воздействия, вызывающие изменения генетического материала клеток?

Мутагены

Плазмогены

Гены

Пластиды

Митохондрии

. К каким видам мутагенов можно отнести радиационные излучения?

Физические

Химические

Естественные

Генетические

Модификационные

. К каким видам мутагенов можно отнести действие химическими реактивами?

Физические

Химические

Естественные

Генетические

Модификационные

. Какие мутации проявляются сразу?

Морфологические

Соматические

Нейтральные

Доминантные

Рецессивные

. Какие мутации проявляются только тогда, когда мутировавший ген приобрел гомозиготное состояние?

Морфологические

Соматические

Нейтральные

Доминантные

Рецессивные

. Какие мутации вызывают изменение химического состава клеток и тканей?

Морфологические

Соматические

Биохимические

Доминантные

Рецессивные

. Какие мутации могут изменять проявление внешнего признака?

Морфологические

Соматические

Биохимические

Доминантные

Рецессивные

. Какие мутации влияют на функции органов, рост и развитие организма?

Морфологические

Физиологические

Биохимические

Доминантные

Рецессивные

. Какие мутации повышают устойчивость организма к неблагоприятным факторам, улучшают общее состояние особи?

Морфологические

Полезные

Биохимические

Вредные

Нейтральные

. Какие мутации снижают жизнеспособность организма?

Морфологические

Полезные

Биохимические

Вредные

Нейтральные

. Какие мутации никак не влияют на организм?

Морфологические

Полезные

Биохимические

Вредные

Нейтральные

. Как называются мутации, происходящие в соматических клетках?

Морфологические

Соматические

Биохимические

Доминантные

Рецессивные

. Как называются мутации, происходящие в гаметах?

Морфологические

Соматические

Генеративные

Доминантные

Рецессивные

. Какие мутации передаются при половом размножении следующим поколениям?

Морфологические

Соматические

Генеративные

Доминантные

Рецессивные

. Какие мутации имеют значение у организмов, размножающихся вегетативным путем?

Морфологические

Соматические

Генеративные

Доминантные

Рецессивные

. Как называются ненаследственные изменения организмов, похожие на мутации и возникающие под действием тех же факторов?

Морфозы

Мутации

Мутагены

Плазмогены

Модификации

. Как называется явление, при котором один и тот же участок хромосомы может находиться в нескольких состояниях, образуя серию аллелей?

Морфозы

Модификации

Множественный аллелизм

Комплементарность

Эпистаз

. Назовите автора закона гомологических рядов в наследственной изменчивости.

Р. Гук

Я. Пуркинье

Г. Де-Фриз

Т. Шванн

Н.Вавилов

. Дайте название закону, суть которого заключается в том, что систематические близкие виды растений имеют сходные ряды наследственных форм и чем ближе друг к другу виды по происхождению, тем резче проявляется сходство по морфологическим и физиологическим признакам.

Закон доминирования

Закон расщепления

Закон независимого комбинирования гамет

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости

Правило чистоты гамет

. Инверсия - это …

перекрест

удвоение

уменьшение

увеличение

переворачивание

. Что выражает закон гомологических рядов?

частную закономерность мутации

химические мутагены

общую закономерность мутационного процесса и формообразования организмов

изменение числа хромосом

физические мутагены

. Как называется степень выраженности признака, способного варьировать?

Экспрессивность

Пенетрантность

Варьирование

Коэффициент варьирования

Мутация

. Как называется явление, измеряемое в проценте особей данной популяции, имеющих мутантный фенотип (например, дрожание цыплят)?

Экспрессивность

Пенетрантность

Варьирование

Коэффициент варьирования

Мутация

Гетерозис

. Как называется скрещивание неродственных между собой видов?

Аутбридинг

Инбридинг

Гетерозис

Гибридизация

Плейотропия

. Как называется скрещивание особей, находящихся между собой в близком родстве?

Аутбридинг

Инбридинг

Гетерозис

Гибридизация

Плейотропия

. Как называется близкородственной скрещивание в применении к растениям?

Аутбридинг

Инбридинг

Гетерозис

Гибридизация

Инцухт

. Какой способ скрещивания ведет к повышению наследственной изменчивости?

Аутбридинг

Инбридинг

Гетерозис

Гибридизация

Инцухт

. Какой способ скрещивания увеличивает гомозиготность и уменьшает наследственную изменчивость?

Аутбридинг

Инбридинг

Гетерозис

Гибридизация

Полимерия

. Назовите одно из вредных последствий инбридинга.

Депрессия

Генетический груз

Гетерозис

Появление новых форм особей

Появление новых признаков

. Переход летальных или вредных генов в гомозиготное состояние при инбридинге называется…

Депрессия

Генетический груз

Гетерозис

Гибридизация

Моносомия

. Как называется увеличение мощности, жизнеспособности и продуктивности гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами?

Депрессия

Генетический груз

Гетерозис

Гибридизация

Моносомия

Генетические процессы в популяциях

. Совокупность особей одного вида, заселяющих определенную территорию, свободно скрещивающихся друг с другом и изолированных от других совокупностей особей данного вида, называется…

депрессией

популяцией

гетерозисом

гибридизацией

моносомией

. Как называются случайные колебания частот генов в популяции?

Депрессия

Генетический груз

Гетерозис

Гибридизация

Дрейф генов

. Как называется способность популяции восстанавливать в результате саморегуляции определенную частоту генов, временно нарушенную под действием экологических факторов?

Депрессия

Генетический груз

Гомеостаз

Гибридизация

Дрейф генов

. Вставьте пропущенное слово:" … заключается в одновременном присутствии в пределах одной популяции нескольких генетически и фенотипически различающихся форм".

Депрессия

Генетический груз

Гомеостаз

Полиморфизм

Дрейф генов

. Каким термином в генетике выражается накопление в популяции вредных и летальных генов?

Депрессия

Генетический груз

Гомеостаз

Полиморфизм

Дрейф генов

Синэкология

. <test> Силы и явления природы, происхождение которых прямо не связано с жизнедеятельностью ныне живущих организмов, называются?) условиями среды) абиотическими факторами) биотическими факторами) антропогенными факторами

. <test> Комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях, называют?) условием) фактором) спектром) средой

. <test> К проявлениям действия биотических факторов среды нельзя отнести:) перенос пыльцы растений ветром) выделение зелеными растениями кислорода) разложение органических веществ в почве

. <test> Фактор, уровень которого приближается к приделам выносливости организма или превышает ее, называют:) оптимальным) экологическим) минимальным) ограничивающим

. <test> Силы и явления природы, которые обязаны своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов, называют:) биотическими факторами) природными условиями) абиотическими факторами) окружающей средой

. <test> Любое условие среды, на которое организм реагирует приспособительными реакциями, называют:) экстремальным условием) экологическим фактором) местом обитания) экологическим ресурсом

. <test> К проявлениям абиотических факторов нельзя отнести:) расселение одуванчика лекарственного) Растрескивание коробочки мака) распространение желудей дуба) перенос пыльцы мятликов

. <test> Диапазон благоприятного воздействия фактора на организмы называют зоной:) экологической) пессимума) буферной) оптимума

. <test> Силы и явления природы, которые обязаны своим происхождением деятельности человека, называют:) абиотическими факторами) антропогенными условиями) природными условиями) окружающей средой

. <test> Из перечисленных факторов выберите те, которые выпадают из рассматриваемой классификации:) антропогенные) почвенные) биотические) абиотические

. <test> К проявлениям действия абиотических факторов среды относят расселение:) лопуха большого) одуванчика лекарственного) рябины обыкновенной) дуба черешчатого

. Совокупность особей одного вида, которые в течение достаточного длительного времени населяют определенное пространство и свободно скрещиваются между собой, называют:) поколением) ареалом) симбиозом) популяцией

. Совокупность особей одного вида является популяцией, если:) они потребляю одинаковую пищу) у них преобладают особи женского пола) их численность несущественно изменяется во времени) они совместно населяют общую территорию

Распространение организмов за пределы видового ареала называют:) рассеиванием) распределением) расселением) перемещения

. Различия между особями двух популяций в пределах одного вида наиболее отчетливо проявляются в:) генетических особенностях) физиологических особенностях) особенностях поведения) анатомических особенностях

. Общую территорию, которую занимает вид, называют:) экологической нишей) биотопом) ареалом) кормовой территорией

. Популяцией называют:) совокупность видов животных и растений, длительное время сосуществующих в определенном пространстве и образующих экологическое единство) положение, которое вид занимает в составе биоценоза) группу особей одного вида, которые обладают способностью скрещиваться и достаточно долго существуют на одной территории) комплекс совместно живущих и связанных дуг с другом видов

. Биоценозом называют:) комплекс организмов с среды обитания, объединенных круговоротов веществ и потомком энергии) совокупность организмов и природно-ландшафтного комплекса) природную систему, которая поддерживается за счет связей между особями разных видов) совокупность особей одного вида, совместно населяющих территорию, свободно скрещивающихся и приносящих плодовитое потомство

. Доминантами сообщества называются виды:) сильно влияющие на среду обитания) преобладающие по численности) характерные только для данного биоценоза) сохраняющиеся при смене биоценоза

. Совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих относительно однородное пространство, называют:) экосистемой) биосферой) биоценозом) популяцией

. Демографией называют:) благоприятное для одного вида сочетание всех факторов) писание полового и возрастного состава популяции) обобщенную характеристику сообщества) описание конкретных отношений двух видов

. Любая совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой поддерживается круговорот веществ, называется:

a) биоценозом) экотопом

c) экосистемой) биотопом