Генетическая изменчивость: источники, типы и значение.

Введение

Различие в ДНК между индивидуумами или популяциями.

Генетическая вариация – это различие в ДНК среди индивидуумов или различия между популяциями одного и того же вида. Множественные источники генетической вариации включают мутации и генетическую рекомбинацию. Мутации являются первичными источниками генетической вариации, но другие механизмы, такие как генетический дрейф, также вносят в неё вклад.

Среди индивидуумов в популяции

Генетические вариации можно выявить на многих уровнях. Определение генетических вариаций возможно на основе наблюдения фенотипических вариаций в количественных признаках (признаки, которые изменяются непрерывно и кодируются многими генами, например, длина ног у собак) или дискретных признаках (признаки, которые проявляются в отдельных категориях и кодируются одним или несколькими генами, например, белый, розовый или красный цвет лепестков у определенных цветов). Генетические вариации также можно идентифицировать, исследуя вариации на уровне ферментов с помощью метода белкового электрофореза. Полиморфные гены имеют более одного аллеля в каждом локусе. У насекомых и растений полиморфными могут быть до половины генов, кодирующих ферменты, в то время как полиморфизм менее распространен среди позвоночных. В конечном счете, генетические вариации обусловлены вариациями в последовательности оснований в нуклеотидах генов. Новые технологии позволяют ученым непосредственно секвенировать ДНК, что выявляет еще больше генетических вариаций, чем было обнаружено ранее с помощью белкового электрофореза. Исследование ДНК показало генетические вариации как в кодирующих областях, так и в некодирующих интронных областях генов. Генетические вариации приведут к фенотипическим вариациям, если изменения в последовательности нуклеотидов в ДНК приведут к изменению последовательности аминокислот в белках, кодируемых этой ДНК, и если эти изменения в последовательности аминокислот повлияют на форму и, следовательно, на функцию фермента.

Между популяциями

Различия между популяциями, возникающие вследствие географической изоляции, известны как географическая изменчивость. Естественный отбор, генетический дрейф и поток генов могут вносить вклад в географическую изменчивость.

Измерение

Генетическая изменчивость внутри популяции обычно измеряется как процент полиморфных локусов генов или процент гетерозиготных индивидуумов по локусам генов. Эти данные могут быть очень полезны для понимания процесса адаптации к среде обитания каждого организма в популяции.

Формы

Генетические вариации можно разделить на различные формы в зависимости от размера и типа геномных вариаций, лежащих в основе генетических изменений. Мелкомасштабные вариации последовательности (<1 килобаза, кб) включают замещение пар оснований и инсерции-делеции. Крупномасштабные структурные вариации (>1 кб) могут быть представлены изменением числа копий (потеря или приобретение) или хромосомными перестройками (транслокация, инверсия или сегментальная приобретенная унипарентальная дисомия). Показано, что генетическая рекомбинация также играет ключевую роль в создании генетических вариаций, определяющих эволюцию РНК-вирусов. Рекомбинация РНК представляется основной движущей силой, определяющей архитектуру генома и ход вирусной эволюции у представителей семейства Picornaviridae ((+)ssRNA) (например, полиовирус). У Retroviridae ((+)ssRNA) (например, ВИЧ) повреждения генома РНК, по-видимому, предотвращаются во время обратной транскрипции посредством переключения цепи – формы генетической рекомбинации. Рекомбинация также происходит у Coronaviridae ((+)ssRNA) (например, SARS). Рекомбинация в РНК-вирусах, по-видимому, является адаптацией для преодоления повреждений генома. В своем «Эссе о космологии» 1750 года он предположил, что виды, которые мы наблюдаем сегодня, представляют собой лишь малую часть множества вариаций, порожденных «слепой судьбой», и что многие из этих вариаций не «соответствовали» их потребностям и, следовательно, не выжили. Некоторые историки даже полагают, что его идеи предвосхитили законы наследственности, разработанные Грегором Менделем. Одновременно французский философ Дени Дидро предложил иную концепцию для генерации наследственных вариаций. Дидро заимствовал у Мопертюи идею о том, что вариации могут возникать в процессе размножения и последующего роста потомства, и считал, что вероятность появления «нормального» организма не выше, чем вероятность появления «уродливого». Однако Дидро также полагал, что сама материя обладает свойствами, подобными жизни, и способна самоорганизовываться в структуры, обладающие потенциалом для жизни. И Мопертюи, и Дидро опирались на идеи римского поэта и философа Лукреция, который в «О природе вещей» утверждал, что вся Вселенная была создана случайным образом, и выжили лишь те существа, которые не содержали внутренних противоречий. Работа Мопертюи отличается от работ Лукреция и Дидро использованием концепции соответствия для объяснения дифференциального выживания организмов – новой идеи для тех, кто верил в изменчивость жизни во времени. Аналогично, теория Ламарка об изменчивости живых существ основывалась на закономерностях использования и неиспользования, которые, по его мнению, приводили к наследственным физиологическим изменениям.

Genetic variation can be divided into different forms according to the size and type of genomic variation underpinning genetic change. Small scale sequence variation (<1 kilobase, kb) includes base pair substitution and indels. Large scale structural variation (>1 kb) can be either copy number variation (loss or gain), or chromosomal rearrangement (translocation, inversion, or Segmental acquired uniparental disomy). Genetic recombination also has been shown to play a key role in generating the genetic variation that underlies RNA virus evolution. RNA recombination appears to be a major driving force in determining genome architecture and the course of viral evolution among Picornaviridae ((+)ssRNA) (e. g. poliovirus). In the Retroviridae ((+)ssRNA)(e. g. HIV), damage in the RNA genome appears to be avoided during reverse transcription by strand switching, a form of genetic recombination. Recombination also occurs in the Coronaviridae ((+)ssRNA) (e. g. SARS). Recombination in RNA viruses appears to be an adaptation for coping with genome damage. In his 1750 Essaie de Cosmologie, he proposed that the species we see today are only a small fraction of the many variations produced by "a blind destiny", and that many of these variations did not "conform" to their needs, thus did not survive. In fact, some historians even suggest that his ideas anticipated the laws of inheritance further developed by Gregor Mendel. Simultaneously, French philosopher Denis Diderot proposed a different framework for the generation of heritable variation. Diderot borrowed Maupertuis' idea that variation could be introduced during reproduction and the subsequent growth of offspring, and thought that production of a "normal" organism was no more probable than production of a "monstrous" one. However, Diderot also believed that matter itself had lifelike properties and could self assemble into structures with the potential for life. Both Maupertuis and Diderot built on the ideas of Roman poet and philosopher Lucretius, who wrote in De rerum natura that all the universe was created by random chance, and only the beings that were not self contradictory survived. Maupertuis' work is distinguished from the work of both Lucretius and Diderot in his use of the concept of conformity in explaining differential survival of beings, a new idea among those who believed that life changed over time. Similarly, Lamarck's theory of the variability among living things was rooted in patterns of use and disuse, which he believed led to heritable physiological changes.

Дарвиновская концепция наследственной вариации

Идеи Чарльза Дарвина о наследственной изменчивости были сформированы как его собственной научной работой, так и идеями его современников и предшественников. Дарвин приписывал наследственную изменчивость множеству факторов, но особенно подчеркивал влияние факторов окружающей среды на организм. Его теория наследственности основывалась на (ныне опровергнутой) идее о геммулах – мельчайших гипотетических частицах, заключающих в себе сущность организма и перемещающихся из всех частей тела в репродуктивные органы, откуда они передаются потомству. Дарвин полагал, что причинно-следственная связь между окружающей средой и организмом настолько сложна, что порождаемая ею изменчивость по своей природе непредсказуема. Однако, подобно Ламарку, он признавал, что изменчивость может возникать также в результате использования и неиспользования органов. Дарвин был увлечен изменчивостью как в природных, так и в домашних популяциях, и его понимание того, что особи в популяции демонстрируют, казалось бы, бессмысленную изменчивость, во многом было обусловлено его опытом работы с селекционерами животных. Дарвин считал, что виды изменяются постепенно, посредством накопления небольших, непрерывных изменчивостей – концепция, которая оставалась предметом острых дискуссий вплоть до XX века.

Постдарвиновские концепции наследственной вариации

В XX веке сформировалась область, получившая название популяционная генетика. Эта область стремится понять и количественно оценить генетическую изменчивость. Если гетерозиготность популяции равна нулю, каждый индивид является гомозиготным; то есть у каждого индивида есть две копии одного и того же аллеля в интересующем локусе, и генетической изменчивости не существует. В 1918 году в основополагающей работе под названием «Корреляция между родственниками при условии менделевского наследования» Р. А. Фишер ввел статистическое понятие дисперсии – среднее квадратов отклонений набора наблюдений от их среднего значения (где – дисперсия, а – среднее значение популяции, из которой взяты наблюдения). Работа Р. А. Фишера в популяционной генетике была важна не только для этой области; эти идеи также заложили основы современной статистики. В 1918 и 1921 годах аддитивная и доминантная генетическая дисперсия: Р. А. Фишер впоследствии разделил свое общее определение дисперсии на два компонента, имеющих отношение к популяционной генетике: аддитивную и доминантную генетическую дисперсию. Аддитивная генетическая модель предполагает, что гены не взаимодействуют, если число генов, влияющих на фенотип, невелико, и что значение признака можно оценить, просто суммируя эффект каждого гена на этот признак. Согласно модели Фишера, общая генетическая дисперсия является суммой аддитивной генетической дисперсии (дисперсия признака, обусловленная этими аддитивными эффектами) и доминантной генетической дисперсии (которая учитывает взаимодействие между генами). В 1951 году F-статистики: F-статистики, также известные как индексы фиксации, были разработаны популяционным генетиком Сьюэллом Райтом для количественной оценки различий в генетической изменчивости внутри и между популяциями. Наиболее распространенная из этих статистик, FST, в своем простейшем определении рассматривает две различные версии гена, или аллели, и две популяции, содержащие один или оба этих аллеля. FST оценивает генетическую изменчивость между этими двумя популяциями, вычисляя среднюю частоту гетерозигот в двух популяциях относительно частоты гетерозигот, если бы две популяции были объединены. F-статистики ввели идею количественной оценки иерархических концепций дисперсии и стали основой многих важных методов популяционной генетики, включая набор методов, предназначенных для выявления признаков естественного отбора в геноме.

In the 20th century, a field that came to be known as population genetics developed. This field seeks to understand and quantify genetic variation. If the heterozygosity of a population is zero, every individual is homozygous; that is, every individual has two copies of the same allele at the locus of interest and no genetic variation exists. 1918 Variance: In a seminal paper entitled "The correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance", R. A. Fisher introduced the statistical concept of variance; the average of squared deviations of a collection of observations from their mean , where is the variance and is the mean of the population from which the observations are drawn). R. A. Fisher's work in population genetics was not just important to population genetics; these ideas would also form the foundations of modern statistics. 1918, 1921 Additive and dominant genetic variance: R. A. Fisher subsequently subdivided his general definition of variance into two components relevant to population genetics: additive and dominant genetic variance. An additive genetic model assumes that genes do not interact if the number of the genes affecting the phenotype is small and that a trait value can be estimated simply by summing the effect of each gene on the trait. Under Fisher's model, the total genetic variance is the sum of the additive genetic variance (the variance in a trait due to these additive effects) and the dominant genetic variance (which accounts for interactions between genes). 1951 F statistics: F statistics, also known as fixation indices, were developed by population geneticist Sewall Wright to quantify differences in genetic variation within and between populations. The most common of these statistics, FST, considers in its simplest definition two different versions of a gene, or alleles, and two populations that contain one or both of these two alleles. FST quantifies the genetic variability among these two populations by computing the average frequency of heterozygotes across the two populations relative to the frequency of heterozygotes if the two populations were pooled. F statistics introduced the idea of quantifying hierarchical concepts of variance and would become the foundation of many important population genetic methods, including a set of methods that tests for evidence of natural selection in the genome.