Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Основы генетики человека

1. Предмет изучения и основные понятия генетики

Генетика - это сердцевина биологической науки. Лишь в рамках генетики разнообразие жизненных форм и процессов может быть осмыслено как единое целое.

Ф. Айала, американский генетик, автор учебника «Современная генетика»

Генетика - наука, изучающая закономерности изменчивости и наследственности как фундаментальных свойств живых организмов.

Генетика как наука о закономерностях наследственности и изменчивости - основа современной биологии, ибо она определяет развитие всех других биологических дисциплин. Однако роль генетики не ограничивается сферой биологии. Поведение человека, экология, социология, психология, медицина - вот далеко не полный список научных направлений, прогресс которых зависит от уровня знаний в области генетики.

хромосомный ген код наследственность

Характеристика генетики как науки

Критерий	Общая генетика	Генетика человека
Объект исследования	Живые системы (живые организмы)	Человек как живая система
Предмет исследования	Наследственность и изменчивость	Наследственность и изменчивость
Задачи	Во-первых, проблема хранения генетической информации. Изучается, в каких материальных структурах клетки заключена генетическая информация и как она там закодирована. Во-вторых, проблема передачи генетической информации. Изучаются механизмы и закономерности передачи генетической информации от клетки к клетке и от поколения к поколению. В-третьих, проблема реализации генетической информации. Изучается, как генетическая информация воплощается в конкретных признаках развивающегося организма, взаимодействуя при этом с влияниями окружающей среды, в той или иной мере изменяющей эти признаки, подчас значительно. В-четвертых, проблема изменения генетической информации. Изучаются типы, причины и механизмы этих изменений.	те же… - применительно к человеку
Теор. основы (законы, закономерности)	Законы Менделя, Хромосомная теория наследственности и др.	Хромосомная теория наследственности и др. Все законы и закономерности, касающиеся человека как живой системы.
Методы исследования	Основной метод генетики - гибридологический (скрещивание определенных организмов и анализ их потомства, этот метод использовал Г.Мендель). Плюс - методы общебиологические и общенаучные.	Гибридологический метод не подходит для человека по морально-этическим соображениям, а так же из-за малого количества детей и позднего полового созревания. Поэтому для изучения генетики человека применяют косвенные методы. - Генеалогический метод - Близнецовый метод - Популяционный метод - Цитогенетический метод - Биохимический метод
Отрасли	По объектам исследования - генетика человека - генетика растений - генетика животных - генетика бактерий и вирусов и др. По исследованию свойств организмов и проявлений живого: -медицинская генетика; - эволюционная генетика - генетика онтогенеза (феногенетика) - популяционная генетика - молекулярная генетика - цитогенетика - селекционная генетика и др. - генетическая инженерия, - генетика соматических клеток, - иммуногенетика, Новейшая отрасль генетики -- геномика -- изучает процессы становления и эволюции геномов.

Жизнь как особое явление характеризуется продолжительностью существования во времени (на Земле она возникла более 3,5 млрд. лет назад), что обеспечивается преемственностью поколений живых систем. В основе непрерывного существования жизни во времени лежит способность живых систем к самовоспроизведению. Сохранение жизни в меняющихся условиях оказывается возможным благодаря эволюции живых форм, в процессе которой у них появляются изменения, обеспечивающие приспособление к новой среде обитания.

Непрерывность существования и историческое развитие живой природы обусловлены двумя фундаментальными свойствами жизни: наследственностью и изменчивостью.

В ходе исторического развития биологической науки представления о свойствах, организации и химической природе наследственного материала постоянно расширяются и усложняются.

(подробнее - на семинаре)

Ключевые этапы развития генетики.

В 60-х гг. XIX в. основоположник генетики (науки о наследственности и изменчивости) Г. Мендель (1865г) высказал первые предположения об организации наследственного материала. На основании результатов своих экспериментов на горохе он пришел к следующим заключениям:

1) наследственный материал дискретен, т.е. представлен отдельными наследственными задатками, отвечающими за развитие определенных признаков организмов;

2) в наследственном материале организмов, размножающихся половым путем, развитие отдельного признака обеспечивается парой аллельных задатков, пришедших с половыми клетками от обоих родителей;

3) при образовании гамет в каждую из них попадает лишь один из пары аллельных задатков, поэтому гаметы всегда «чисты».

В 1909 г. В. Иогансен назвал «наследственные задатки» Менделя генами.

80-е гг. XIX в. ознаменовались важными достижениями в области цитологии: были описаны митоз и мейоз -- деление соответственно соматических и половых клеток, в ходе которых закономерно между дочерними клетками распределяются ядерные структуры --хромосомы (В. Вольдейер, 1888).

Данные о характере распределения хромосом в процессе клеточного деления позволили в начале XX в. Т. Бовери (1902--1907) и У. Сетгону (1902--1903) сделать вывод о том, что преемственность свойств в ряду поколений клеток и организмов определяется преемственностью их хромосом. Хромосомы стали рассматривать как материальные носители наследственной программы.

Дальнейшая разработка хромосомной теории наследственности, объединяющей представления о наследственных задатках и хромосомах, была осуществлена в начале XX в. Т. Морганом и его сотрудниками. В опытах, выполненных на дрозофилле, было подтверждено ранее высказанное предположение о роли хромосом в обеспечении наследственности. Установлено, что гены размещаются в хромосомах, располагаясь в них в линейном порядке. Гены каждой хромосомы образуют группу сцепления, число которых определяется количеством хромосом в половых клетках. Гены одной группы сцепления наследуются, как правило, совместно. Однако в ряде случаев происходит их перекомбинация в связи с кроссинговером (позже подробнее рассмотрим), частота которого зависит от расстояния между генами.

Таким образом, в хромосомной теории нашел отражение один из важнейших принципов генетики -- единство дискретности и непрерывности наследственного материала.

Необходимо отметить, что также в начале XX в. были обнаружены факты, которые доказывали наличие в клетках внехромосомного наследственного материала, располагающегося в различных цитоплазматических структурах и определяющего особую цитоплазматическую наследственность (К. Корренс, 1908).

Примерно в это же время X. де Фризом (1901) были заложены основы учения о мутационной изменчивости, связанной с внезапно возникающими изменениями в наследственных задатках или хромосомах, что приводит к изменениям тех или иных признаков организма. В последующие годы было обнаружено мутагенное действие на хромосомы и гены рентгеновских лучей, радиационного излучения, определенных химических веществ и биологических агентов.

В результате этих исследований стало очевидным, что наследственность и изменчивость обусловлены функционированием одного и того же материального субстрата.

В первые десятилетия XX в. были получены данные, свидетельствующие в пользу зависимости состояния признаков от характера взаимодействия генов, что выходило за рамки отношений доминантности и рецессивности, описанных еще Менделем. Отсюда появилось представление о генетическом аппарате как о системе взаимодействующих генов -- генотипе, который сосредоточен в хромосомном наборе -- кариотипе.

Изучение химического состава хромосом выявило два основных вида соединений, образующих эти структуры,-- белки и нуклеиновые кислоты. В первой половине XX в. исследователями решался вопрос о химической природе субстрата наследственности и изменчивости. Первоначально высказывались предположения в пользу белков. В 1928 г. Ф. Гриффитом был поставлен опыт на пневмококках, в котором наблюдалось изменение (трансформация) некоторых наследственных свойств одного бактериального штамма под влиянием материала, полученного из убитых клеток другого штамма. Химическая природа вещества, трансформирующего наследственные свойства бактерий, была установлена лишь в 1944 г. О. Эйвери, доказавшим его принадлежность к нуклеиновым кислотам (ДНК).

Важным результатом целенаправленного изучения нуклеиновых кислот было создание Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) пространственной модели молекулы ДНК.

Во второй половине XX в. усилия ученых направлены на изучение свойств нуклеиновых кислот, составляющих основу их генетических функций, способов записи и считывания наследственной информации, характера и структуры генетического кода, механизмов регуляции активности генов в процессе формирования отдельных признаков и фенотипа в целом. В 60-х гг. работами М. Ниренберга, С. Очоа, X. Кораны и других была произведена полная расшифровка генетического кода, установлено соответствие триплетов нуклеотидов в молекуле нуклеиновых кислот определенным аминокислотам. В 70-х гг. стали активно разрабатываться методы генной инженерии, позволяющие целенаправленно изменять наследственные свойства живых организмов.

К концу XX столетия, благодаря новым молекулярно-генетическим технологиям, появилась возможность определять последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК геномов различных организмов (прочтение ДНК-текстов). ДНК-тексты генома человека, представленные в целом 3 млрд. пар нуклеотидов, в основном прочитаны к 2001 году. Научно-практическое направление молекулярной биологии, имеющее целью определение нуклеотидных последовательностей молекул ДНК, получило название геномики.

Таким образом, наследственность и изменчивость - фундаментальные свойства живых организмов, которые связаны с хранением, передачей, изменением наследственной информации.

Запишем определения этих и других понятий в словарь терминов.

Наследственность - свойство живых организмов, которое:

1) обеспечивает материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также специфический характер индивидуального развития организмов в определенных условиях среды;

2) -обсуловливает хранение и репродукцию наследственной информации,

3) обеспечивает преемственность между поколениями.

Наследование - способ передачи наследственной информации, который может изменяться в зависимости от форм размножения.

Изменчивость - свойство живых систем, противоположное наследственности - заключается в изменении наследственных задатков а также их проявлений в процессе развития организмов.

Более подробно об этих свойствах мы поговорим на следующей лекции.

Признак (в биологии) - единица морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организмов (клеток), т.е. отдельное качество или свойство, по которому они отличаются друг от друга.

Генотип - совокупность наследственных факторов организма или система взиамодействующих генов

Фенотип - совокупность признаков определенного организма

ДНК - материальный субстрат наследственности и изменчивости.

Гомологичные (др.-греч. ?????? -- подобный, похожий; ????? -- слово, закон) в биологии - это сопоставимые части сравниваемых биологических объектов.

2. Общие свойства генетического материала и уровни его организации

Генетический материал должен обладать следующими особенностями:

1) способностью к самовоспроизведению, чтобы в процессе размножения передавать наследственную информацию, на основе которой будет осуществляться формирование нового поколения;

2) способностью сохранять постоянной свою организацию для обеспечения устойчивости характеристик в ряду поколений;

3) способностью приобретать изменения и воспроизводить их, обеспечивая возможность исторического развития живой материи в меняющихся условиях.

Только в случае соответствия указанным требованиям материальный субстрат наследственности и изменчивости (генетический материал) может обеспечить длительность и непрерывность существования живой природы и ее эволюцию.

Современные представления генетики позволяют выделить три уровня организации генетического аппарата:

1) генный, 2) хромосомный 3) геномный.

На каждом из них проявляются основные свойства материала наследственности и изменчивости и определенные закономерности его передачи и функционирования.

3. Генный уровень организации генетического аппарата

Элементарной функциональной единицей генетического аппарата, определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организма данного вида, является ген (наследственный задаток, по Г. Менделю). Передачей генов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность -- наследование потомками признаков родителей.

Большинство перечисленных выше особенностей организмов или клеток относится к категории сложных признаков, формирование которых требует синтеза многих веществ, в первую очередь белков со специфическими свойствами -- ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных и других белков. Свойства белковой молекулы определяются аминокислотной последовательностью ее полипептидной цепи, которая прямо задается последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и является элементарным, или простым, признаком.

Переформулируем коротко: формирование сложных признаков требует синтеза многих веществ (в первую очередь белков со специфическими свойствами. А свойства белковой молекулы определяются аминокислотной последовательностью ее полипептидной цепи, которая задается последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и является простым (элементарным) признаком.

На генном уровне организации наследственного материала обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальное изменение отдельных признаков и свойств клеток, организмов данного вида.

Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК, называют плазмоном. Он определяет особый тип наследования признаков -- цитоплазматическое наследование.

Основные свойства гена как функциональной единицы генетического аппарата определяются его химической организацией,

Химическая организация гена

Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров -- нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1' присоединяется азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи -- фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа -- ОН (см. схему).

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь (рис.). В результате образуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1' присоединено одно из перечисленных выше азотистых оснований (рис.).

Рис. Схема строения нуклеотида

Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии фермента полимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующего нуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3', предыдущего нуклеотида (рис. 3.3). Благодаря отмеченной специфике действия названного фермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5'. Это позволяет выделить в ней 5' и 3 '-концы.

Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала -- хромосом -- обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.

Рис. Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь

Рис. Схема полинуклеотидной цепи (стрелкой указано направление роста цепи)

Присоединение очередного нуклеотида сопровождается образованием эфирной связи между ОН-группой на 3'-конце полинуклеотидной цепи и фосфатом свободного нуклеотида, остальные пояснения см. в тексте Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика.

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар -- дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований -- пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин).

Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. американским биофизиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении.

Рис. Схема строения молекулы ДНК. Стрелками обозначена антипараллельность цепей

Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот (рис.).

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага -- 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.

Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными -- при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной -- В-форме (В-ДНК). Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено (рис. 3.5)

Рис. Пространственные модели левоэакрученной Z-формы (I) и правозакрученной В-формы (II) ДНК

Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру -- полинуклеотидную цепь, вторичную структуру--две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру -- трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками.

Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию -- репликация. Это свойство обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК, состоящей из двух комплементарных цепей. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

Для осуществления репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул.

Инициация репликации осуществляется в особых участках ДНК, обозначаемых ori (от англ. origin --начало). Они включают последовательность, состоящую из 300 нуклеотидных пар, узнаваемую специфическими белками. Двойная спираль ДНК в этих локусах разделяется на две цепи, при этом, как правило, по обе стороны от точки начала репликации образуются области расхождения полинуклеотидных цепей -- репликационные вилки, которые движутся в противоположных от локуса ori направлениях. Между репликационными вилками образуется структура, называемая репликационным глазком, где на двух цепях материнской ДНК образуются новые полинуклеотидные цепи.

Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК.

Репликация ДНК у про- и эукариот в основных чертах протекает сходно, однако, скорость синтеза у эукариот (около 100 нуклеотидов/с) на порядок ниже, чем у прокариот (1000 нуклеотидов/с). Причиной этого может быть образование ДНК эукариот достаточно прочных соединений с белками, что затрудняет ее деспирализацию, необходимую для осуществления репликативного синтеза.

Элементарные единицы изменчивости генетического материала. Мутон. Рекон.

Ген представляет собой элементарную единицу функции наследственного материала и представляет собой фрагмент молекулы ДНК, соответствующий отдельному гену и определяющий благодаря содержащейся в нем биологической информации возможность развития конкретного признака. Ген является далее неделимым в функциональном отношении.

Фен - это дискретный, генетически обусловленный признак организма. Фенами могут быть морфологические, биохимические, поведенческие признаки, если для них показано генетическое наследование. Однако необходимо отметить, что в определении понятия фена у генетиков нет единого мнения.

Сведения о генных мутациях, (которые мы рассмотрим позже), указывают на значение изменений химической структуры, затрагивающих не весь ген, а отдельные его участки, вследствие чего появляются новые варианты признака.

Обобщим те процессы, которые происходят на молекулярном уровне и которые характеризуют весь процесс экспрессии (выражения) генетической информации.



Рис. Обобщенная схема процесса экспрессии генетической информации в эукариотической клетке

Репликация ДНК - процесс, при котором информация, закодированная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК.

Репарация - осуществление непрерывного «осмотра» цепи ДНК ферментами репарации и удаления из нее поврежденных участков, что способствует поддержанию стабильности наследственного материала. Совместное действие ферментов репликации (ДНК-полимераза и редактирующая эндонуклеаза) и ферментов репарации обеспечивает достаточно низкую частоту ошибок в молекулах ДНК, которая поддерживается на уровне 1 · 10-9 пар измененных нуклеотидов на геном. При размере генома человека 3 · 109 нуклеотидных пар это означает появление около 3 ошибок на реплицирующийся геном. Вместе с тем даже этот уровень достаточен для образования за время существования жизни на Земле значительного генетического разнообразия в виде генных мутаций.

Транскрипция - процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК (или синтез мРНК на матрице ДНК).

Созревание, или процессинг, мРНК предполагает модифицирование первичного транскрипта и удаление из него некодирующих интронных участков с последующим соединением (сплайсингом) кодирующих последовательностей -- экзонов.

Трансляция (синтез белка) у эукариот осуществляется в цитоплазме, куда попадает из ядра зрелая мРНК. Синтез белка в эукариотической клетке, осуществляемый на моноцистронной мРНК, завершается после прохождения рибосомой по всей мРНК, вплоть до узнавания ею кодона-терминатора, прекращающего образование пептидных связей.

Посттрансляционные преобразования белков: синтезированные в ходе трансляции пептидные цепи на основе своей первичной структуры приобретают вторичную и третичную, а многие--и четвертичную организацию, образуемую несколькими пептидными цепями. В зависимости от функций, выполняемых белками, их аминокислотные последовательности могут претерпевать различные преобразования, формируя функционально активные молекулы белка.

Нуклеотид - молекула=азотистое основание (одно из А,Г,Ц,Т для ДНК и А,Г,Ц,У для РНК)+моносахарид (дезоксирибоза для ДНК и рибоза для РНК) + остаток фосфорной кислоты.

Чередование 20 аминокислот у белков контролируется четырьмя нуклеотидами!!!

Перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот синтезируемого белка осуществляется с помощью генетического кода.

Основные характеристики генетического кода:

1) Код - триплетный - состоит из 3х азотистых оснований.

2) Код - вырожденный - т.е. включение в белковую молекулу одной аминокислоты контролируется несколькими триплетами оснований.

3) Код - непрерывный и неперекрывающийся - то есть:

- чтение кода начинается с определенного пункта и продолжается только в одном направлении;

- последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков;

- соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания (рис.).

Поэтому выпадение или вставка какого-либо нуклеотида в молекуле ДНК изменяет состав и последовательность чередования нуклеотидов во всей цепи. Следовательно, изменяется и весь порядок считывания.

В случае включения нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена влекла бы за собой замену 2--3 аминокислот в пептидной цепи.

Рис. Непрерывность и неперекрываемость генетического кода при считывании наследственной информации

Цифрами обозначены нуклеотиды

4) Специфичность кода. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту.

5) Полная универсальность кода - он един для всех типов организмов - что подтверждает его унаследование от далеких предков.

Полная расшифовка генетического кода проведена в 60-х гг. нашего столетия. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ.

Один ген кодирует синтез строго определенного белка (или одну полипептидную цепь). Хотя некоторые авторы предлагают другое: «Один полипептид -- один ген». Во всяком случае, под термином ген надо понимать функциональную единицу наследственного материала, по химической природе являющуюся полинуклеотидом и определяющую возможность синтеза полипептидной цепи, тРНК или рРНК.

Рис. Аминокислоты и кодирующие их триплеты ДНК

Ген -- функциональная единица наследственного материала. Взаимосвязь между геном и признаком

Функциональная характеристика гена.

В процессе реализации наследственной информации, заключенной в гене, проявляется целый ряд его свойств.

1. Определяя возможность развития отдельного качества, присущего данной клетке или организму, ген характеризуется дискретностью действия.

2. Ввиду того что в гене заключается информация об аминокислотной последовательности определенного полипептида, его действие является специфичным. Однако в некоторых случаях одна и та же нуклеотидная последовательность может детерминировать синтез не одного, а нескольких полипептидов. Это наблюдается в случае альтернативного сплайсинга у эукариот и при перекрывают генов у фагов и прокариот.

3. Определяя возможность транскрибирования мРНК для синтеза конкретной полипептидной цепи, ген характеризуется дозированностью действия, т.е. количественной зависимостью результата его экспрессии от дозы соответствующего аллеля этого гена. Примером может служить зависимость степени нарушения транспортных свойств гемоглобина у человека при серповидно-клеточной анемии от дозы аллеля HbS. 3.4.5. Биологическое значение генного уровня организации наследственного материала

4. Хромосомный уровень организации генетического материала

Некоторые положения хромосомной теории наследственности.

Термин хромосома был предложен в 1888 г. немецким морфологом В. Вальдейером, который применил его для обозначения внутриядерных структур эукариотической клетки, хорошо окрашивающихся основными красителями (от греч. хрома -- цвет, краска, и сома -- тело).

Детальная разработка хромосомной теории наследственности была осуществлена в начале XX в. школой американских генетиков, возглавляемой Т. Морганом.

Хромосомы - структуры из нуклеопротеидов в ядре эукариотической клетки - это «нити (нуклеосомы), на которых размещены бусинки-гены». Генов - гораздо больше чем хромосом (см. таблицу представленности хромосом человека). Т.е. каждая хромосома содержит множество генов.

Один и тот же ген может существовать в нескольких вариантах, различающихся по содержащейся в них биологической информации. Варианты одного гена, возникающие в результате изменений (мутаций) получили название аллелей. Аллели гена располагаются в одном и том же участке--локусе--определенной хромосомы, которая в норме может одновременно содержать лишь один из серии аллелей. Это делает аллели альтернативными (взаимоисключающими) вариантами существования гена.

Аллельные гены - от них зависит развитие альтернативных признаков (например, по цвету - голубые глаза, карие глаза; по росту - высокий и низкий; по качеству волос - прямые, вьющиеся).

В диплоидных соматических клетках эукариотических организмов большинство генов представлено двумя аллелями, которые совместно влияют на формирование признаков.

Присутствие в генофонде вида одновременно различных аллелей гена называют множественным аллелизмом. У человека, как и у других представителей органического мира, множественный аллелизм свойствен многим генам. Так, три аллеля гена I определяют групповую принадлежность крови по системе АВ0 (IA, IB, I0). Два аллеля имеет ген, обусловливающий резус-принадлежность. Более ста аллелей насчитывают гены ?- и ?-полипептидов гемоглобина.

Причиной множественного аллелизма являются случайные изменения структуры гена (мутации), сохраняемые в процессе естественного отбора в генофонде популяции.

Основные положения хромосомной теории наследственности

1) Хромосомы состоят из линейной (не замкнутой в кольцо) макромолекулы ДНК и специализированных белков - гистонов.

2) Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в ней генов.

3) Совокупность генов, входящих в состав одной хромосомы, образует группу сцепления

Закон моргана: Все гены, расположенные в одной хромосоме, связаны между собой, передаются по наследству совместно и составляют одну группу сцепления.

4) Число групп сцепления в наследственном материале организмов данного вида определяется количеством хромосом в гаплоидном наборе их половых клеток.

5) Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами.

6) При оплодотворении образуется диплоидный набор, в котором каждая группа сцепления представлена двумя вариантами -- отцовской и материнской хромосомами, несущими оригинальные наборы аллелей соответствующего комплекса генов.

Открытие сцепленного наследования неальтернативных признаков легло в основу разработки методики построения генетических карт хромосом с использованием гибридологического метода генетического анализа.

Хромосомные (генетические) карты - схема относительного положения генов в определенной хромосоме.

Гомологичные хромосомы - хромосомы в диплоидной клетке - называют парные хромосомы, каждая из которых досталась от одного из родителей.

Химический состав хромосом.

Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс--хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями.

Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки.

Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах.

Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, репликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.

Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» списывания информации с молекулы ДНК. Другие компоненты встречаются в незначительном количестве.

Структурная организация хроматина.

Хроматин в зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняет свою организацию. В интерфазе при световой микроскопии он выявляется в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме ядра. При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельных интенсивно окрашенных телец -- хромосом.

Наиболее распространенной является точка зрения, согласно которой хроматин (хромосома) представляет собой спирализованную нить.

Морфология хромосом

В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.

В зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее, различают несколько форм хромосом: равноплечие, или метацентрические (с центромерой посередине), неравноплечие, или субметацентрические (с центромерой, сдвинутой к одному из концов), палочковидные, или акроцентрические (с центромерой, расположенной практически на конце хромосомы), и точковые -- очень небольшие, форму которых трудно определить (рис.).

Таким образом, каждая хромосома индивидуальна не только по заключенному в ней набору генов, но и по морфологии и характеру дифференциального окрашивания.

Рис. Формы хромосом: I -- телоцентрическая, II -- акроцентрическая, III--субметацентрическая, IV--метацентрическая; 1 -- центромера, 2 -- спутник, 3 -- короткое плечо, 4 -- длинное плечо, 5 -- хроматиды



Рис. Расположение локусов в хромосомах человека при их дифференциальном окрашивании: р -- короткое плечо, q -- длинное плечо; 1--22 -- порядковый номер хромосомы; XY -- половые хромосомы

На хромосомном уровне организации, который появляется в процессе эволюции у эукариотических клеток, генетический аппарат должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к субстрату наследственности и изменчивости: обладать способностью к самовоспроизведению, поддержанию постоянства своей организации и приобретению изменений, которые могут передаваться новому поколению клеток.

Несмотря на эволюционно отработанный механизм, позволяющий сохранять постоянной физико-химическую и морфологическую организацию хромосом в ряду клеточных поколений, под влиянием различных воздействий эта организация может изменяться. В основе изменения структуры хромосомы, как правило, лежит первоначальное нарушение ее целостности -- разрывы, которые сопровождаются различными перестройками, называемыми хромосомными мутациями или аберрациями. О них - в следующей лекции.

Значение хромосомной организации в функционировании и наследовании генетического аппарата.

Хромосомный уровень организации наследственного материала обеспечивает в эукариотической клетке не только определенный характер функционирования отдельных генов, тип их наследования, но и регуляцию их активности.

Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру, свойственную всем особям данного вида. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловажную роль в характере их функционирования. Расположение гена в той или иной хромосоме определяет тип наследования соответствующего признака.

Принадлежность генов к одной хромосоме обусловливает сцепленный характер наследования детерминируемых ими признаков, а расстояние между генами влияет на частоту рекомбинации этих признаков в потомстве (правило Т. Моргана). Расположение генов в разных хромосомах служит основой независимого наследования признаков (закон независимого наследования признаков Г. Менделя).

Образуя в хромосоме устойчивый комплекс с гистонами, ДНК эукариотической клетки оказывается недоступной для других белков, осуществляющих транскрипцию (РНК-полимераза) и выполняющих регуляторные функции.

Таким образом, гистоны, участвующие в пространственной организации ДНК в хромосоме, регулируют генную активность, угнетая ее.

5. Геномный уровень организации наследственного материала. Геном. Генотип. Кариотип

Геномом называют всю совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов. Геном видоспецифичен, так как представляет собой тот необходимый набор генов, который обеспечивает формирование видовых характеристик организмов в ходе их нормального онтогенеза.

При половом размножении в процессе оплодотворения объединяются геномы двух родительских половых клеток, образуя генотип нового организма. Все соматические клетки такого организма обладают двойным набором генов, полученных от обоих родителей в виде определенных аллелей. Таким образом, генотип -- это генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в их хромосомном наборе -- кариотипе.

Кариотип -- диплоидный набор хромосом, свойственный соматическим клеткам организмов данного вида, являющийся видоспецифическим признаком и характеризующийся определенным числом, строением и генетическим составом хромосом. Ниже приведены количества хромосом соматических клеток некоторых видов организмов.

Животные	Число хромосом
Малярийный плазмодий Гидра Таракан Комнатная муха Сазан Окунь Зеленая лягушка Голубь Кролик Шимпанзе Человек	2 32 48 12 104 28 26 80 44 48 46

Если число хромосом в гаплоидном наборе половых клеток обозначить п, то общая формула кариотипа будет выглядеть как 2п, где значение п различно у разных видов. Являясь видовой характеристикой организмов, кариотип может отличаться у отдельных особей некоторыми частными особенностями. Например, у представителей разного пола, имеются в основном одинаковые пары хромосом (аутосомы), но их кариотипы отличаются по одной паре хромосом (гетерохромосомы, или половые хромосомы). Чаще различия касаются строения половых хромосом, обозначаемых разными буквами --X и Y (XX или XY).

Каждый вид хромосом в кариотипе, содержащий определенный комплекс генов, представлен двумя гомологами, унаследованными от родителей с их половыми клетками. Двойной набор генов, заключенный в кариотипе,-- генотип -- это уникальное сочетание парных аллелей генома. В генотипе содержится программа развития конкретной особи.

При половом размножении процесс воспроизведения организмов осуществляется с участием специализированных половых клеток -- гамет, вступающих в оплодотворение. При оплодотворении наследственный материал двух родительских гамет сливается, образуя генотип организма нового поколения -- зиготы. Чтобы потомки получили соответствующую программу для развития видовых и индивидуальных характеристик, они должны обладать кариотипом, которым располагало предыдущее поколение. В такой ситуации поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений организмов достигается предварительным уменьшением вдвое набора хромосом в гаметах, который восстанавливается до диплоидного при их оплодотворении:

п + п = 2n

Образование гаплоидных гамет осуществляется в ходе гаметогенеза путем особой формы клеточного деления -- мейоза. При мейозе из клеток с диплоидным набором In образуются гаметы с гаплоидным набором хромосом п.

Благодаря особенностям мейоза образуются клетки, несущие полноценный геном, в котором каждая группа сцепления представлена в единственном экземпляре (гаплоидный набор хромосом).

При самооплодотворении гаметы одного и того же родителя, а при перекрестном оплодотворении половые клетки разных организмов взаимодействуют друг с другом. Сперматозоиды, проникая в яйцеклетку, вводят в нее свой ядерный наследственный материал, заключенный в гаплоидном наборе хромосом. Ядра гамет сливаются и формируют диплоидное ядро зиготы, в котором каждая группа сцепления представлена в двойном экземпляре -- отцовской и материнской хромосомами.

Таким образом, мейоз и последующее оплодотворение обеспечивают сохранение у нового поколения организмов диплоидного кариотипа, присущего всем особям данного вида.

6. Особенности организации наследственного материала эукариот

У эукариот объем наследственного материала значительно больше чем у прокариот. У дрожжей он составляет 2,3 · 107 п.н., у человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток -- около 174 см. Его геном содержит 3·109 п.н. и включает по последним данным 30--40 тыс. генов (см таблицу).

Значительная часть нуклеотидных последовательностей у эукариот не транскрибируется вообще -- молчащая ДНК. В настоящее время окончательно не выяснены функции молчащей ДНК, которая составляет значительную часть генома, реплицируется, но не транскрибируется. Высказывают предположения об определенном значении такой ДНК в обеспечении структурной организации хроматина. Некоторая часть нетранскрибируемых нуклеотидных последовательностей, очевидно, участвует в регуляции экспрессии генов.

В эукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл -- митохондрий и пластид, а также нуклеотидными последовательностями, не являющимися жизненно необходимыми для клетки (вирусоподобными частицами). Наследственный материал органелл находится в их матриксе в виде нескольких копий кольцевых молекул ДНК, не связанных с гистонами. В митохондриях, например содержится от 2 до 10 копий мтДНК.

Внехромосомная ДНК составляет лишь небольшую часть наследственного материала человека (на её долю приходится менее 1% всей клеточной ДНК).

На сегодняшний день в мире существуют полные геномы только 2-х жителей планеты. Это Джим Уотсон и Крэйг Вентер. Они занимались геномным проектом и решили расшифровать именно свои тесты ДНК.

Размещено на Allbest.ur

...