Генетика как наука

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Понятие о наследственности и изменчивости. Основные этапы развития генетики. Вклад белорусских ученых в развитие генетики и селекции

Предметом изучения генетики является наследственность и изменчивость. Термин «генетика» предложил в 1906 г. У. Бэтсон. Наследственность - одно из главных свойств жизни, она определяет воспроизведение форм в каждом поколении. Наследственность - это воспроизведение жизни (Н.П. Дубинин). Изменчивость - это возникновение различий среди организмов. Генетика как самостоятельная наука возникла в начале XX в. Ее возникновение было обусловлено вторичным открытием (1900) закономерностей наследственности, установленных в 1865 г. Грегором Менделем. Ботаники Г. де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии независимо друг от друга вновь установили эти законы. Историю генетики обычно делят на этапы классической и молекулярной генетики. По мнению академика Н.П. Дубинина, в развитии генетики выделяют три отчетливо различающихся этапа. Первый - это эпоха классической генетики, длившаяся с 1900 до 1926 г. В это время создана теория гена и хромосомная теория наследственности (главная заслуга в появлении хромосомной теории наследственности принадлежит американскому ученому Томасу Моргану). Важное значение имели также расшифровка понятий «ген», «фенотип» и «генотип» (исследования датского ученого В. Иоганнсена в 1902-1906 гг.),, работы о взаимодействии генов, разработка генетических принципов индивидуального отбора в селекции, обоснование учения о мобилизации генетических ресурсов планеты для целей селекции. С 1926 по 1953 г. - этап неоклассицизма в генетике. В эти годы была открыта возможность искусственного вызывания изменений в генах и хромосомах (экспериментальный мутагенез - Г. Дж. Меллер и JI. Дж. Стадлер открыли мутагенное действие рентгена; было обнаружено, что ген - это сложная система, дробимая на части; обоснованы принципы генетики популяций и эволюционной генетики; создана биохимическая генетика, показавшая роль генов во всех основных процессах биосинтеза в клетке и организме; доказано, что молекула ДНК является носителем наследственной информации (О. Эвери и др.). Были заложены основы медицинской генетики. Эпоха молекулярной генетики началась в 1953 г., когда была расшифрована структура молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты - ДНК (Ф. Крик, Дж. Уотсон). Большой вклад в развитие генетики внесли отечественные ученые. Генетика в Белоруссии была тесно связана в основном с решением практических задач селекции и семеноводства сельскохозяйственных культур. Начало генетических исследований определили работы академика АН БССР Антона Романовича Жебрака в области отдаленной гибридизации пшениц и экспериментальной полиплоидии (30-е годы, Москва, начало и 1953--1965 гг., АН БССР). Учеными Республиканских научно-производственных дочерних унитарных предприятий «Институт плодоводства», «Институт овощеводства» и «Институт картофелеводства» (п. Самохваловичи Минского района) с 1925 года выведено более 50 сортов картофеля (академика П.И. Альсмик), 70 овощных, 124 плодовых и 30 сортов ягодных культур (А.Г.Волузнев). Родоночальником белорусской селекции плодовых культур являются Э.П. Сюбарова и А.Е. Сюбаров. Продолжили начатое ими дело селекционеры по яблоне - Г.К.Коваленко, Е.В.Семашко, по груше - Н.И.Михневич, по вишне - Р.М.Сулимова, по сливе - В.А.Матвеев. Основоположниками селекции овощных культур являются: Г.И.Артеменко и А.М.Полянская (томаты), Е.И.Чулкова (капуста), В.Ф.Девятова (лук, чеснок). Они заложили и развили основы научной селекции овощных культур в Беларуси.

2. Особенности наследственных структур прокариот и эукариот. Уровни укладки молекулы ДНК

Эукариоты имеют особый органоид - ядро, т. е. генетический материал обособлен и отделен от цитоплазмы ядерной оболочкой. Наследственная информация заключена в хромосомах, содержащих ДНК и особые белки. Деление происходит в результате сложного процесса, называемого митозом. Геном прокариотической (безъядерной) клетки организован в виде нуклеоида -- комплекса ДНК с негистоновыми белками и характеризуется относительно небольшими размерами. У кишечной палочки он представлен кольцевой молекулой ДНК длиной около 1 мм, которая содержит 4·10⁶ пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. У эукариот (ядерных организмов) объем наследственного материала значительно больше. У человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток -- около 174 см. Его геном содержит 3·10⁹ пар нуклеотидов и включает по последним данным 30--40 тыс. генов. Наследственный материал прокариотической клетки заключен не только в нуклеоиде, но также присутствует в цитоплазме в виде небольших кольцевых фрагментов ДНК -- плазмид. В эукариотических клетках внехромосомная ДНК представлена генетическим аппаратом органелл -- митохондрий и пластид, а также нуклеотидными последовательностями, не являющимися жизненно необходимыми для клетки (вирусоподобными частицами).

Молекула ядерной ДНК, например, в клетке человека, достигает почти двухметровой длины и может быть по разному структурирована и упакована (уложена). Первичная структура ДНК - это последовательность дезоксирибонуклеотидов, которые составляют полинуклеотидную цепь, обладающую постоянством и специфичностью для каждого вида. Дезоксирибонуклеотиды соединяются друг с другом фосфодиэфирными связями с участием 3'- и 5'- углеродных атомов дезоксирибоз двух соседних нуклеотидов. Первичная структура ДНК характерна для вирусов, плазмид. Вторичная структура ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей с разной ориентацией: в одной межнуклеотидная связь имеет направление 5'-->3', а в другой - 3'-->5'. Между цепями образуются водородные связи за счет комплементарного взаимодействия азотистых оснований (А=Т и Г=Ц). Стабилизация двойной спирали ДНК осуществляется за счет гидрофобных взаимодействий между основаниями двухцепочечной молекулы. Третичная структура ДНК характеризуется тем, что на некоторых участках двойная спираль ДНК может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы - образуется важнейший уровень укладки молекулы ДНК - нуклеосома - структурная единица хроматина. Существуют и следующие уровни упаковки (укладки) ДНК - петли и домены. О которых еще достаточно мало известно.

3. Структура профазной хромосомы. Эухроматиновые и гетерохроматиновые районы. Эффект положения гена. Хромосомы типа "ламповых щеток". Политенные хромосомы

Число хромосом во всех клетках организма двойное, диплоидное. Оно образуется от слияния двух половых клеток, в каждой из которых имеется одиночное, гаплоидное, число хромосом. Хромосома состоит из двух по внешнему виду одинаковых взаимно перевитых продольных половинок, называемых хроматидами. Хроматиды образованы из нуклеопротеидных нитей -- хромонем. Хромонемы, в свою очередь, состоят из более мелких субъединид -- хромофибрилл. Во время митоза хромонемы закручиваются в спираль (спирализация), а в интерфазе они, наоборот, раскручиваются (деспирализация). Места, которыми хромосомы прикрепляются к нитям веретена во время деления ядра, называются центромерами. Там, где находится центромера, хромосома тоньше. Это первичная, или центрическая, перетяжка. Перетяжка делит хромосому на два плеча, по относительной величине которых хромосомы делят на три типа: равноплечие, неравноплечие и резконеравноплечие. В слюнных железах некоторых насекомых обнаружены гигантские или политенные хромосомы. Гигантские хромосомы образуются в результате явления, называемого политенией, когда число хромонем в хромосомах увеличивается, но образующиеся хроматиды не расходятся, расщепления хромосом не происходит, и они поэтому утолщаются, становясь крупными. В состав хромосом, кроме ДНК, входят еще три типа макромолекул: РНК, низкомолекулярный основной белок гистон, и более сложный кислый белок, называемый остаточным белком. В хромосоме находится также ДНК-полимераза. Этот фермент необходим при репликации ДНК. ДНК и РНК, соединенные с простыми белками - гистонами и протаминами, образуют комплексы ДРНП - дезоксирибонуклеопротеиды и РНП - рибонуклеопротеиды. Хромосомы хорошо заметны при делении клеток в стадии метафазы, хотя они начинают вырисовываться в профазе. Хромосомы по своей длине неоднородны по химическим и физическим, а также генетическим свойствам. При дифференциальной окраске одни участки окрашиваются интенсивно, их называют гетерохроматиновыми, а другие - слабо, их называют эухроматиновыми. Гетерохроматин представляет собой плотно упакованный дезоксирибонуклеопротеид (ДНП), содержащий в основном зарепрессированные, т.е. генетически инертные участки ДНК. Эухроматин - это менее конденсированные участки ДНК с активно работающими генами. В растущих ооцитах всех животных, за исключением млекопитающих, во время протяженной стадии диплотены профазы мейоза I активная транскрипция многих последовательностей ДНК приводит к преобразованию хромосом в хромосомы, по форме напоминающие щетки для чистки стёкол керосиновых ламп (хромосомы типа ламповых щёток). Они представляют собой сильно деконденсированные полубиваленты, состоящие из двух сестринских хроматид. Хромосомы типа ламповых щёток производят огромное количество РНК. Эффект положения гена - влияние расположения генов в хромосоме на проявление их активности. Наблюдается при структурных перестройках хромосом (транслокациях), в результате которых гены активных зон хромосом (эухроматина) могут переноситься в неактивные зоны (гетерохроматин) и инактивироваться и наоборот. При перестройке функционирование данного гена восстанавливается.

4. Митоз как механизм бесполого размножения эукариот. Эндомитоз. Генетический контроль клеточного цикла. Генетическое значение митоза

Митоз - непрямое деление клетки, представляет собой непрерывный процесс, в результате которого происходит сначала удвоение, а затем точное равномерное распределение наследственного материала, содержащегося в хромосомах, между двумя вновь возникающими клетками. Благодаря митозу две дочерние клетки имеют совершенно одинаковые ядра, несущие одну и ту же наследственную информацию, характерную для данного организма. В этом состоит биологическое и генетическое значение митоза. Митотическое деление клетки контролируется генами. Деление клеточного ядра влечет за собой деление всей клетки. Этот процесс называется цитокинезом. В течение митоза ядро проходит четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Состояние между двумя митозами называют интерфазой, или интеркинезом. Все изменения, совершающиеся в клетке между двумя ее делениями, называются митотическим, или клеточным, циклом, т. е. это митоз и интерфаза, вместе взятые. Профаза. Во время нее внутри ядра появляются структурные элементы, имеющие вид тонких двойных нитей. В результате спирализации хромонем хромосомы уплотняются, укорачиваются и становятся отчетливо видимыми. К концу профазы каждая хромосома состоит из двух тесно соприкасающихся друг с другом хроматид, сондиненных одним общим участком -- центромерой и начинают постепенно передвигаться к клеточному экватору. В середине профазы исчезают ядерная оболочка и ядрышки. Из материала цитоплазмы и ядра в поздней профазе начинает формироваться веретено деления. Метафаза. В это время хромосомы сильно уплотнены и приобретают определенную, характерную для данного вида форму. Большинство хромосом становятся двуплечими. Местом перегиба -- центромерой -- они прикрепляются к нити веретена. Все хромосомы располагаются в экваториальной плоскости ядра, свободные их концы направлены к центру ядра, образуя звезду. Анафаза. Вслед за делением центромер начинается расхождение хроматид, ставших теперь отдельными дочерними, или сестринскими, хромосомами, к противоположным полюсам. Так как из каждой хромосомы возникли две совершенно одинаковые хроматиды, то в обеих образовавшихся дочерних клетках будет одинаковое число хромосом, равное диплоидному числу исходной материнской клетки. Телофаза. В этой фазе продолжается деспирализация хромосомных нитей, и хромосомы постепенно становятся более тонкими и длинными, приближаясь к тому состоянию, в котором они были в профазе. Вокруг каждой группы хромосом образуется ядерная оболочка, формируется ядрышко. В это же время завершается деление цитоплазмы и возникает клеточная оболочка.

Эндомитомз -- процесс удвоения числа хромосом в ядрах клеток многих протистов, растений и животных, за которым не следует деления ядра и самой клетки. В процессе эндомитоза не происходит разрушения ядерной оболочки и ядрышка, не происходит образование веретена деления и не реорганизуется цитоплазма, но при этом (как и при митозе) хромосомы проходят циклы спирализации и деспирализации. Повторные эндомитозы приводят к возникновению полиплоидных ядер, отчего в клетке увеличивается содержание ДНК.

5. Мейоз и половое размножение. Генетическое значение мейоза. Типы мейоза (гаметный, споровый, зиготный)

Все организмы, размножающиеся половым путем, образуют половые клетки, или гаметы. Этому предшествует особый вид деления клеточного ядра -- мейоз. Так как при оплодотворении объединяются материнский и отцовский наборы хромосом, уменьшение их числа вдвое при образовании гамет биологически необходимо. Этот процесс и осуществляется во время мейоза. Мейоз состоит из двух быстро следующих друг за другом делений клеток. Одно из них называется редукционным, или первым мейотическим делением, при котором число хромосом уменьшается в 2 раза; второе -- эквационным (равным), или вторым мейотическим делением, протекающим так же, как и митоз. Каждое из этих делений, как и обычный митоз, состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Наиболее сложно протекает профаза первого деления. Она делится на пять последовательных стадий: лептонему, зигонему, пахинему, диплонему и диакинез. В стадии зигонемы наблюдается так называемая конъюгация хромосом, состоящая в том, что парные (гомологичные) хромосомы сближаются, притягиваются и по своей длине всеми участками соприкасаются друг с другом. В стадии пахинемы конъюгирующие хромосомы образуют сдвоенные пары -- биваленты. Каждый бивалент состоит из четырех хроматид. Во время диплонемы хроматиды в спаренных гомологичных хромосомах начинают расходиться, биваленты оказываются состоящими из четырех хроматид и называются поэтому тетрадами. В это время хорошо наблюдается перекрест парных хромосом, во время которого происходит обмен их гомологичными участками (явление кроссинговера). Генетическое значение мейотического деления сводится к трем основным моментам. 1.Мейоз является механизмом, поддерживающим видовое постоянство числа хромосом. 2.Мейоз обеспечивает генетическую разнородность гамет благодаря случайной перекомбинации материнских и отцовских хромосом. 3.Мейоз вызывает образование хромосом нового генетического состава благодаря обмену участками гомологичных (парных) материнских и отцовских хромосом. В зависимости от места в жизненном цикле организма выделяют три основных типа мейоза: зиготный, или начальный, споровый, или промежуточный, гаметный, или конечный. Зиготный тип происходит в зиготе сразу после оплодотворения и приводит к образованию гаплоидного мицелия или таллома, а затем спор и гамет. Этот тип характерен для многих грибов и водорослей. У высших растений наблюдается споровый тип мейоза, который проходит перед цветением и приводит к образованию гаплоидного гаметофита. Позднее в гаметофите образуются гаметы. Для всех многоклеточных животных и ряда низших растений свойственен гаметный, или конечный, тип мейоза. Протекает он в половых органах и приводит к образованию гамет.

6. Нерегулярные типы полового размножения: партеногенез, апогамия, апоспория, адвентивная эмбриония. Особенности жизненных циклов эукариотических микроорганизмов (дрожжи, нейроспора)

Амфимиксис - обычный тип полового процесса, при котором происходит слияние ядер женских и мужских гаплоидных гамет и образование диплоидной зиготы, из которой развивается зародыш. После оплодотворения происходит деление клетки, восстановившей диплоидный набор хромосом, первое и несколько последующих делений яйцеклетки происходят без увеличения размера клеток, поэтому процесс называется дроблением яйцеклетки.

Нерегулярные типы полового размножения. Апомиксис - развитие зародыша нового организма без слияния половых клеток (гамет): партеногенез - развитие яйцеклетки без оплодотворения: гиногенез - из неоплодотворенной яйцеклетки, андрогенез - из ядер спермиев, апогаметия (апогамия) - из других клеток женского гаметофита (синергид, антипод); апоспория - из нередуцированных соматических клеток спорофита или материнской споры; адвентивная эмбриония - из соматических клеток нуцеллуса или внутреннего интегумента семяпочек.

Дрожжи, например Saccharomyces cerevisiae размножаются путем митотических делений в гаплоидном или диплоидном состоянии, образуя почку, которая постепенно увеличивается и в какой-то момент отделяется от материнской клетки. Гаплоидные клетки дрожжей могут спариваться друг с другом (коньюгировать), поскольку существуют в виде одного из двух типов спаривания, обозначаемых как а и альфа, напоминающих два пола у млекопитающих. Клетки каждого типа образуют свой феромон, привлекающий клетки противоположного типа. Клетки противоположных типов сливаются своими выпячиваниями, образуя диплоидную клетку а/альфа. В диплоидных клетках способность к спариванию репрессирована: они размножаются вегетативно (т.е. путем митотических делений), как и гаплоидные клетки. С другой стороны, в условиях голодания в них индуцируется мейотическая программа, приводящая к формированию аска (сумки) с четырьмя спорами, по две каждого типа спаривания. При поступлении достаточного количества питательных веществ гаплоидные споры превращаются в клетки, способные к спариванию, т.е. возобновляется нормальный жизненный цикл.

Нейроспора густая (Neurospora crassa) -- вид мицелиальных грибов отдела аскомицетов. Один из наиболее популярных объектов генетики. Мицелий гриба растет в виде сплетения гиф на поверхности питательной среды. Гифы -- многоядерные образования; в них на определенных расстояниях расположены перегородки (септы), имеющие поры, через которые могут проходить ядра и перемещаться цитоплазма. Ядра в мицелии гаплоидные (n = 7). Концы нитей мицелия образуют конидиеносцы, от которых отпочковываются одноядерные вегетативные споры -- конидии. Нейроспора может размножаться как вегетативным, так и половым путем. Спаривание происходит только между организмами противоположных типов спаривания. Тип спаривания контролируется двумя аллелями одного гена -- А и а, локализованными в одной из хромосом. Культуры обоих типов спаривания образуют плодовые тела -- перитеции; клетки в перитеции могут быть оплодотворены при контакте с конидией противоположного типа спаривания. В результате оплодотворения в перитеции образуются диплоидные зиготы, которые претерпевают два деления мейоза и один дополнительный митоз. Вследствие этого из каждой зиготы образуется восьмиядерная сумка -- аск, где ядра располагаются строго в один ряд. Каждое гаплоидное ядро в аске превращается в аскоспору. Гифы с ядрами разных генотипов, выросшие совместно на питательной среде, могут сливаться и образовывать гетерокарион.

7. Первый и второй законы Г. Менделя. Понятие о генах и аллелях. Аллели. Гипотеза "чистоты" гамет. Анализирующее и возвратное скрещивания. Реципрокные скрещивания

В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены -- это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию -- о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма. Аллели -- различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака. В диплоидном организме может быть два одинаковых аллеля одного гена, в этом случае организм называется гомозиготным, или два разных, что приводит к гетерозиготному организму.

Закон единообразия гибридов первого поколения (первый закон Менделя) -- при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, всё первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей. Этот закон также известен как «закон доминирования признаков».

Закон расщепления (второй закон Менделя) -- при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1. Скрещиванием организмов двух чистых линий, различающихся по проявлениям одного изучаемого признака, за которые отвечают аллели одного гена, называется моногибридное скрещивание.

Закон или гипотеза чистоты гамет: в каждую гамету попадает только одна аллель из пары аллелей данного гена родительской особи.

При гибридологическом анализе и в практической селекции применяют взаимные, анализирующие и возвратные скрещивания.

Взаимными, или реципрокными, называют скрещивания между двумя родительскими формами АА и аа, в одной из которых АА является материнской формой, а в другой -- отцовской. При полном доминировании в F₂ особи разной генетической структуры по фенотипу между собой неразличимы. Если необходимо выяснить их генотипическую структуру, прибегают к анализирующим скрещиваниям.

Анализирующими называют такие скрещивания, когда какое- либо растение гибридного поколения скрещивают с рецессивной гомозиготной по этому же гену исходной родительской формой.

Скрещивания между гибридной особью и одной из родительских форм называют возвратными, или насыщающими, скрещиваниями (беккроссами).

8. Взаимодействие аллельных генов (доминирование, неполное доминирование, кодоминирование. сверхдоминирование). Множественные аллели

Аллельные гены взаимодействуют между собой по принципу доминирования. Доминантный аллель гена проявляется фенотипически в гомозиготном и в гетерозиготном состоянии, а рецессивный аллель - только в гомозиготном состоянии (аа). Различают следующие типы взаимодействия аллельных генов: полное доминирование, неполное доминирование, сверхдоминирование и кодоминирование.

При полном доминировании доминантный аллель полностью исключает проявление действия рецессивного аллеля и у потомства обнаруживается только доминантный признак (например, желтая окраска семян гороха полностью доминирует над зеленой).

Иногда у гибридов F₁ не наблюдается полного доминирования, их признаки носят промежуточный характер. Такой характер наследования называют промежуточным, или неполным, доминированием. Неполное доминирование широко встречается в природе (в наследовании масти крупного рогатого скота, окраски оперения кур, курчавости волос у человека и др.).

При скрещивании чистых линий у культурных растений и домашних животных наблюдается сверхдоминирование. В случае сверхдоминирования степень выраженности признака у гетерозиготной особи (Аа) выше, чем у доминантной гомозиготы (АА) и рецессивной гомозиготы (аа).

Кодоминированием называют участие двух доминантных аллелей из одной пары в формировании признака особи. При этом каждый из них оказывает равнозначное действие. Например, группы крови у человека определяются тремя аллелями гена: I^о, I^А, I^В. Рецессивный аллель I^о определяет в гомозиготном состоянии первую группу крови, доминантный аллель I^А - вторую группу, доминантный аллель I^В - третью группу крови. Аллели I^А и I^В кодоминантны и при совместном взаимодействии определяют четвертую группу крови.

Любое изменение структуры гена в результате мутаций приводит к появлению новых аллелей этого гена. Число возможных аллелей каждого гена практически неисчислимо. Различные аллели одного гена могут приводить к одинаковым или разным проявлениям фенотипа, что свидетельствует о множественном аллелизме. Наличие нескольких аллелей (множественных аллелей) каждого гена в популяциях обеспечивает многообразие генов и комбинативную изменчивость, которые служат исходным материалом для эволюционных преобразований.

9. Третий закон Г. Менделя. Цитологические основы независимого комбинирования генов, признаков

Дигибридное скрещивание - скрещивание, при котором родительские особи отличаются по 2 парам альтернативных признаков. Для дигибридного скрещивания Мендель брал гомозиготные растения гороха, отличающиеся по окраске семян (желтые и зеленые) и форме семян (гладкие и морщинистые). Желтая окраска (А) и гладкая форма (В) семян -- доминантные признаки, зеленая окраска (а) и морщинистая форма (b) -- рецессивные признаки. Скрещивая растение с желтыми и гладкими семенами с растением с зелеными и морщинистыми семенами, Мендель получил единообразное гибридное поколение F1 с желтыми и гладкими семенами. От самоопыления 15-ти гибридов первого поколения было получено 556 семян, из них 315 желтых гладких, 101 желтое морщинистое, 108 зеленых гладких и 32 зеленых морщинистых (расщепление 9:3:3:1). Анализ расщепления по фенотипу: по окраске семян: желтых -- ѕ; зеленых -- ј (3: 1); по форме семян: гладкие -- ѕ; морщинистые -- ј. (3: 1).

Третий закон Менделя - закон независимого наследования (комбинирования) признаков: каждая пара аллельных генов (и альтернативных признаков, контролируемых ими) наследуется независимо друг от друга. Условие 3 закона Менделя: нахождение разных пар генов в различных парах гомологичных хромосом.

Цитологические основы третьего закона Менделя:

Пусть А -- ген, обусловливающий развитие желтой окраски семян, а -- зеленой окраски, В -- гладкая форма семени, b -- морщинистая. Скрещиваются гибриды первого поколения, имеющие генотип АаВb. При образовании гамет из каждой пары аллельных генов в гамету попадает только один, при этом в результате случайного расхождения хромосом в первом делении мейоза ген А может попасть в одну гамету с геном В или с геном b, а ген а -- с геном В или с геном b. Таким образом, каждый организм образует четыре сорта гамет в одинаковом количестве (по 25%): АВ, Ab, aB, ab. Во время оплодотворения каждый из четырех типов сперматозоидов может оплодотворить любую из четырех типов яйцеклеток. В результате оплодотворения возможно появление девяти генотипических классов, которые дадут четыре фенотипических класса. Таким образом:

1) Образование дигетерозиготной АаВв 4-х типов гамет по 25% каждого, что обуславливается поведением гомологических хромосом в мейозе, тем что разные пары гомологических хромосом ведут независимо себя друг от друга.

2) Равновероятное сочетание гамет при оплодотворении на 16 классов

10. Тригибридное скрещивание. Формулы, характеризующие расцепление при полигибридных скрещиваниях

Тригибридное скрещивание - скрещивание, при котором родительские особи отличаются по 3 парам альтернативных признаков, при котором расщепление будет равно 27: 9: 9: 9: 3: 3: 3: 1. Действительно, в одном из опытов Менделя в анализирующем скрещивании были получены следующие соотношения: 31 круглых желтых (АаВЬ), 26 круглых зеленых (Aabb), 27 морщинистых желтых (ааВЪ), 26 морщинистых зеленых (aabb).

Рассуждая аналогично, можно представить расщепление при тригибридном скрещивании, т. е. когда родители различаются по аллелям трех генов, а в F₂ образуются тригетерозиготы, при тетрагибридном скрещивании и так далее в любом полигибридном скрещивании. Соотношения генотипических и фенотипических классов в F₂ полигибридных скрещиваний, а также число типов гамет у гибридов F₂ определяются простыми формулами

Полигибридное скрещивание - скрещивание, при котором родительские особи отличаются по многим (3 и более) парам альтернативных признаков

11. Типы взаимодействия неаллельных генов. Расщепление по фенотипу при различных типах взаимодействий генов

Фенотип организма формируется под влиянием большого количества генов, а также в результате их взаимодействия. Все многообразие межгенных взаимодействий можно разделить на две группы: взаимодействие аллельных и неаллельных генов. Аллельные гены находятся в идентичных локусах гомологичных хромосом, и взаимодействие между ними проявляется в форме полного, неполного доминирования и кодоминирования. Неаллельные гены локализованы в разных парах гомологичных хромосом или в одной паре гомологичных хромосом, но в разных ее локусах. Выделяют три основных типа взаимодействия неаллельных генов.

1. Комплементарность - тип неаллельного взаимодействия генов, при котором сочетание в генотипе доминантных аллелей обоих генов обуславливает появление нового признака. Расщепление в F₂ по фенотипу может быть разнообразным: 9:7, 9:6:1, 9:3:3:1, 9:3:4.

2. Эпистаз - тип неаллельного взаимодействия генов, при котором ген одной аллельной пары подавляет действие генов другой пары. Гены, подавляющие проявление других генов, называются супрессорами, а подавляемые гены - гипостатичными. Выделяют два типа эпистаза: доминантный и рецессивный. При доминантном эпистазе - супрессии ингибирующее действие оказывает доминантный аллель. Расщепление в F₂ по фенотипу может быть разнообразным: 13:3, 12:3:1.

При рецессивном эпистазе - криптомерии рецессивная гомозигота одного гена подавляет действие другого доминантного гена. Расщепление в F₂ по фенотипу может быть разнообразным: 9:3:4.

3. Полимерия - это тип неаллельного взаимодействия генов, при котором несколько пар неаллельных генов влияют на формирование одного признака, вызывая сходные изменения. В случае кумулятивной полимерии (сложной) степень проявления признака зависит от числа доминантных аллелей в генотипе. Так наследуется, например, длина початка у кукурузы или пигментация кожи человека. При некумулятивной полимерии (простой), наличие в генотипе хотя бы одного доминантного аллеля полимерных генов определяет проявление доминантного признака. При полимерном типе наследования возможно проявление трансгрессий. Трансгрессия - форма, у которой степень проявления признака больше, чем у родительских форм. Трансгрессии могут быть положительными и отрицательными.

12. Генотип как целостная, исторически сложившаяся система аллельных и неаллельных генных взаимодействий. Влияние факторов внешней среды на реализацию генотипа. Пенетрантность и экспрессивность. Норма реакции. Плейотропный эффект гена

Генотип -- это совокупность генов данного организма. Генотип как единая функциональная система организма сложился в процессе эволюции. Признаком системности генотипа является взаимодействие генов - аллельное и неаллельное.Наследуется не признак как таковой, а способность генотипа давать какой-нибудь признак в результате взаимодействия с условиями среды. Генотип реагирует на воздействие факторов внешней среды в определенном диапазоне. Поэтому каждый признак имеет несколько вариантов, несколько модификаций. Норма реакции - это диапазон модификационной изменчивости, пределы модификационной изменчивости. Фактически норма реакции -- это размах, спектр модификаций, который может произвести генотип под влиянием внешних условий. Норма реакции генотипа -- это пределы колебаний данного фактора среды, в которых возможна реализация генетической программы по данному признаку в виде какого-либо признака. Рассматривая действие гена, его аллелей, необходимо учитывать не только генные взаимодействия и действие генов-модификаторов, но и модифицирующее действие среды, в которой развивается организм. Известно, что у примулы окраска цветка розовая (Р-) -- белая (рр) наследуется по моногибридной схеме, если растения развиваются в интервале температур 15-25°С. Если же растения F₂ вырастить при температуре 30-35°С, то все цветки у них оказываются белыми. Наконец, при выращивании растений F₂ в условиях температуры, колеблющейся около 30°С, можно получить разнообразные соотношения.

Пенетрантность гена - это доля особей, у которых проявляется ожидаемый фенотип.

Экспрессивность - это степень выраженности фенотипа. Многие гены имеют полную пенетрантность и экспрессивность. В опытах Менделя все горошины, несущие доминантный аллель определяющий желтую окраску были желтыми как в гомозиготном так и в гетерозиготном состоянии), а все горошины гомозиготные по аллелю определяющего зеленую окраску - зелеными. Все люди генотипа I^А I^А или I^Аi имеют группу крови А, люди генотипа I^В I^В или I^Вi группу крови В, а генотип I^А I^В определяет группу крови АВ. Примером неполной пенетрантности и экспрессивности может служить проявление доминантного гена, вызывающего хорею Гентингтона у человека. Люди несущие этот доминантный ген, заболевают в различном возрасте, некоторые из них остаются здоровыми в течении почти всей жизни. Данный ген имеет неполную пенетрантность поскольку, известно что, у некоторых носителей он так и не проявляется и не заболевают. Этот ген имеет варьирующую экспрессивность: его носители заболевают в различном возрасте, т.е. он оказывает на их жизнь различное влияние. На пенетрантность и экспрессивность гена также могут оказывать влияние другие гены данной особи, что выражено в случае генов-модификаторов и эпистатических генов.

Плейотропия - явление, которое заключается в том, что один ген оказывает влияние на несколько признаков. Например, влияние плейотропного гена окраски меха у лисиц на жизнеспособность потомства. Ген платиновой окраски является доминантным по отношению к серебристо-черной. Однако в гомозиготном состоянии он приводит к гибели зародышей (АА) на ранних стадиях. Выживают только платиновые лисицы, гетерозиготные по этому гену. По этой же схеме наследуется наличие (аа) и отсутствие (Аа) чешуи у зеркального карпа, серая (Аа) и черная (аа) окраска шерсти каракулевых овец. У человека известен доминантный ген, определяющий признак «паучьи пальцы» (синдром Марфана). Одновременно этот же ген определяет аномалию хрусталика глаза и порок сердца.

13. Хромосомное определение пола. Аутосомы и половые хромосомы. Генетические и цитологические особенности половых хромосом. Гомогаметный и гетерогаметный пол

Половые хромосомы - специальная пара хромосом в хромосомном наборе раздельнополых организмов; хромосомы содержат гены, направляющие развитие оплодотворённой яйцеклетки в мужскую или в женскую особь. В отличие от всех остальных пар гомологичных хромосом (аутосом), половые хромосомы различаются размерами. У человека и др. млекопитающих, у многих насекомых особи женского пола содержат в хромосомном наборе две большие хромосомы, которые обозначаются как Х-хромосомы, т. е. для женского пола характерен тип ХХ (ZZ). В клетках особей мужского пола пару с большой Х-хромосомой составляет маленькая хромосома, которую обозначают как Y-хромосома, т. е. для мужского пола характерен тип XY. При образовании половых клеток (гамет) в мейозе у особей женского пола все яйцеклетки получат Х-хромосому и будут равноценными. Такой пол называется гомогаметным. При образовании гамет особями мужского пола одна половина сперматозоидов получит Х-хромосому, другая Y-хромосому. Такой пол с неравноценными гаметами называется гетерогаметным. При оплодотворении случайное соединение яйцеклеток и сперматозоидов даёт статистически одинаковое число сочетаний ХХ и ХY и, значит, появление примерно равного числа женских и мужских особей. У бабочек, птиц, некоторых земноводных и пресмыкающихся противоположное определение пола: у них гомогаметен мужской пол (тип ХХ) и гетерогаметен женский (тип ХY). Есть виды, например кузнечики, у которых Y-хромосома отсутствует и гетерогаметный пол (в данном случае - мужской) несёт только одну Х-хромосому (тип ХО), а развитие по мужскому типу определяют аутосомы. В половых хромосомах находятся гены, которые, помимо признаков пола, определяют и другие признаки. Такие признаки называются сцепленными с полом, т. к. их наследование связано с передачей потомкам половых хромосом. Большие Х-хромосомы включают много генов (у дрозофилы их более 500), маленькие Y-хромосомы - мало. Поскольку для большинства генов Х-хромосомы нет соответствующих парных аллелей в Y-хромосоме, у гетерогаметного пола могут проявляться все рецессивные гены Х-хромосомы, в т. ч. и мутировавшие гены, ответственные за развитие болезней.

14. Типы хромосомного определения пола. Хромосомное определение пола у человека. Определение пола при нерасхождении половых хромосом у человека

В зависимости от того, какой пол является гетерогаметным, выделяют следующие 4 типа хромосомного определения пола:

1)самки гомогаметны, самцы гетерогаметны - самки XX; самцы XY

2)самки гомогаметны, самцы гетерогаметны - самки XX; самцы X0.

3)самки гетерогаметны, самцы гомогаметны - самки ZW; самцы ZZ

4)самки гетерогаметны, самцы гомогаметны - или самки Z0; самцы ZZ

У особей гомогаметного пола ядра всех соматических клеток содержат диплоидный набор аутосом и две одинаковые половые хромосомы, которые обозначаются как XX (ZZ). Организмы такого пола продуцируют гаметы только одного класса -- содержащие по одной X (Z) хромосоме. У особей гетерогаметного пола в каждой соматической клетке, помимо диплоидного набора аутосом, содержатся либо две разнокачественные половые хромосомы, обозначаемые как Х и Y (Z и W), либо только одна -- X (Z) (тогда количество хромосом получается нечётным). Соответственно у особей такого пола образуются два класса гамет: либо несущие X/Z-хромосомы и Y/W-хромосомы, либо несущие X/Z-хромосомы и не несущие никаких половых хромосом.

Хромосомное определение пола у человека проходит по первому типу.

Генетическая схема хромосомного определения пола у человека:

У ряда животных различных видов обнаружена патология по половым хромосомам, часто аналогичная таковой у человека. Основной причиной таких аномалий является нерасхождение половых хромосом в процессе митоза дробящейся зиготы и нерасхождение половых хромосом в бластомеры на ранних этапах развития особи. Нерасхождение половых хромосом при мейозе и митозе сопровождается появлением в фенотипе особей аномалий, затрагивающих морфологические и физиологические системы. Существенно снижается или полностью утрачивается воспроизводительная функция, нарушается общее развитие, проявляется патология нервной и гормональной систем, меняется габитус тела. Если речь идет о двух Х-хромосомахженского пола, то в результате нерасхождения возникают женские гаметы, одна из которых имеет две X-хромосомы, а вторая ни одной, тогда как в норме каждая из них должна нести по одной Х-xpoмосоме и обладать одинаковой возможностью определения пола. Если обозначить эти гаметы через XX и 0, то в результате их соединения с нормальными мужскими гаметами (половина которых несет Х-, а другая половина Y-хромосому) возникнут анеуплоидные зиготы. Возникающие в данном случае четыре типа зигот и количество хромосом в них представляют собой четыре типа аномалий. При рассмотренных аномалиях число аутосом не отклоняется от нормы. Синдром Тернера (ХО) наблюдается у женских особей. Эта аномалия описана у домашней мыши и козы. Синдром Клайнфельтера (XXY) наблюдается у мужских особей.

15. Х - хромосома и дозовая компенсация. Тельца Бара. Гипотеза Лайон

Инактивация Х-хромосомы -- процесс, в ходе которого инактивируется одна из двух копий Х-хромосом, представленных в клетках самок млекопитающих. ДНК неактивной Х-хромосомы упаковывается в транскрипционно неактивный гетерохроматин. Инактивация Х-хромосомы происходит в клетках самок млекопитающих для того, чтобы с двух копий Х-хромосом не образовывалось вдвое больше продуктов соответствующих генов, чем у самцов млекопитающих. Такой процесс называется дозовой компенсацией генов. У плацентарных выбор Х-хромосомы, которая будет инактивирована, случаен (что показано для клеток мышей и человека). Инактивированная Х-хромосома будет оставаться неактивной во всех последующих дочерних клетках, образующихся в результате деления.

Тельцем Барра называют Х-хромосому, ДНК которой находится в состоянии гетерохроматина. Тельце Барра содержит продукт гена Xist, обычно располагается на периферии ядра, ДНК тельца Барра поздно реплицируется.

Кк известно, особи женского пола наследуют Х-хромосомы от отца и матери, а особи мужского пола -- только от матери, т.е. мужчины гомозиготны по генам в Х-хромосоме. М. Лайон выдвинула гипотезу об отсутствии у женщин генетической активности одной из Х-хромосом, пребывающей в гетеропикнотическом состоянии в виде компактной глыбки гетерохроматина (половой хроматин, или тельце Бара). Согласно этой гипотезе, женщины, гетерозиготные по Х-сцепленным генам, имеют мозаичный фенотип: у одних клеток -- нормальный фенотип, у других -- мутантный. Правильность этого предположения продемонстрирована у многих млекопитающих и человека. Так, среди эритроцитов женщин, гетерозиготных по гену недостаточности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы обнаружено два типа клеток -- ферментативно активных и ферментативно неактивных (мутантных). Многочисленные цитологические и биохимические исследования подтвердили гипотезу М. Лайон и позволили описать сам процесс, названный лайонизацией Х-хромосомы особей женского пола. Компенсация дозы Х-сцепленных генов (у женщин -- две дозы, у мужчин -- одна) достижима путём инактивации одной из родительских Х-хромосом в раннем эмбриональном периоде во всех соматических клетках.

16. Балансовая теория определения пола. Интерсексуальность

В результате дальнейших исследований было установлено, что пол определяют не только половые хромосомы, но и аутосомы. Американский генетик К. Бриджес в начале 20-х годов обнаружил, что у дрозофилы развитие признаков пола сильно изменяется в зависимости от соотношения Х-хромосом и аутосом. У этой мухи иногда случайно возникают самки, имеющие триплоидный набор хромосом ЗХ + ЗY. Некоторые триплоидные самки плодовиты, но в мейозе у них нарушается нормальное расхождение хромосом. Скрещивание таких: триплоидных самок с нормальными диплоидными самцами дало» восемь типов особей с различным соотношением половых хромосом и аутосом. Среди них наряду с нормальными самками и самцами были такие особи, у которых признаки женского или мужского пола были гипертрофированы (сверхсамки и сверхсамцы),, или особи имели промежуточное наследование признаков пола, (интерсексы). На основании данных этих опытов К. Бриджес пришел к выводу, что у дрозофилы женский пол определяется не наличием двух Х-хромосом, а развитие мужского пола зависит не от сочетаний Х- и У-хромосом: они определяются отношением числа Х-хромосом к числу наборов аутосом, или половым индексом (X:А). Это положение легло в основу балансовой теории определения пола, по которой при отношении X: А, равном 1, развиваются самки, а равном 0,5 -- самцы; при значении полового индекса, больше единицы образуются сверхсамки, меньше 0,5 -- сверхсамцы; при значении его между 1--0,5 возникают интерсексы.

По современным представлениям, гены, определяющие половые признаки, находятся в аутосомах, а гены, обусловливающие действие аутосомных генов пола, могут находиться в половых хромосомах или в аутосомах.

Интерсексуальность -- наличие у раздельнополого организма признаков обоих полов, причем эти признаки являются не полностью развитыми, промежуточными. Признаки обоих полов проявляются на одних и тех же частях тела. Эмбриональное развитие такого организма называется интерсексом, начинается нормально, но с определённого момента продолжается по типу другого пола. Чем раньше меняется направление развития организма, тем резче выражена у него интерсексуальность.

Зиготная (генетически обусловленная) интерсексуальность является результатом отклонения от нормы набора половых хромосом и генов в момент оплодотворения при соединении гамет в зиготу. По характеру нарушения бывает триплоидная или иная -- анеуплоидная интерсексуальность. Диплоидная интерсексуальность наблюдается при скрещивании разных географических рас у бабочки непарного шелкопряда, причем либо у самок, либо у самцов, в зависимости от типа скрещивания.

Формы интерсексуальности, так называемого псевдогермафродитизма у человека, также могут быть вызваны нарушением нормального числа половых хромосом. При этом у мух дрозофил определяющим в развитии пола является соотношение числа пар половых хромосом и аутосом, поэтому у них интерсексуальность обычно связана с нарушением этого соотношения (например, наблюдается при соотношении 3A:2X -- три набора аутосом на две половые хромосомы). У человека определяющим фактором развития мужского пола является наличие Y-хромосомы, при этом черты интерсексуальности наблюдаются у мужчин с синдромом Клайнфельтера (набор половых хромосом XXY).

17. Дифференциация пола в онтогенезе. Прогамный, сингамный, эпигамный типы определения пола. Генетическая бисексуальность организма. Гермафродитизм. Гинандроморфизм

Так называемый истинный, или гонадный, пол определяется типом формирования половых желез. Нормальная дифференциация гонадного пола предполагает формирование яичников у особей женского пола, семенников -- у особей мужского пола и определяется набором половых хромосом. При этом первичный зачаток гонад на ранних стадиях внутриутробного развития (у человека -- до 6 нед.) еще не имеет эмбриональных различий и состоит из двух частей -- кортикальной и медуллярной. Лишь с 6-й недели набор хромосом оказывает действие на направление дальнейшего развития зачатка половой железы: наличие в кариотипе Y-хромосомы приводит к пролиферации и миграции медуллярной части и завершается формированием семенника, а набор XX -- к пролиферации и миграции кортикальной части и завершается формированием яичника.

Пол -- это совокупность признаков и свойств организма, определяющих его участие в размножении.

Пол особи может определяться:

а) до оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом (прогамное определение пола);

б) в момент оплодотворения (сингамное определение пола);

в) после оплодотворения (эпигамное определение пола).

Все организмы, в том числе и раздельнополые, в генетическом отношении бисексуальны (двуполы), т.к. зиготы их получают генетическую информацию, потенциально дающую возможность развивать признаки мужского и женского пола. Однако специальные хромосомные механизмы обеспечивают передачу одной половине потомства генов женского пола, а другой -- генов мужского пола. И этих механизмов два: