Генетика

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Генетика

наследственность ядро андрогенез генетический код



1. Уровни организации наследственного материала, их характеристика

Современные представления о природе генетического аппарата позволяют выделить три уровня его организации: генныи?, хромосомныи? и геномныи?. На каждом из них проявляются основные свои?ства материала наследственности и изменчивости и определенные закономерности его передачи и функционирования.

1) Генный уровень

Элементарнои? функциональнои? единицеи? генетического аппарата, определяющеи? возможность развития отдельного признака клетки или организма данного вида, является ген. Передачеи? генов в ряду поколении? клеток или организмов достигается материальная преемственность -- наследование потомками признаков родителеи?.

Под признаком понимают единицу морфологическои?, физиологическои?, биохимическои?, иммунологическои?, клиническои? и любои? другои? дискретности организмов (клеток), т.е. отдельное качество или свои?ство, по которому они отличаются друг от друга.

Большинство перечисленных выше особенностеи? организмов или клеток относится к категории сложных признаков, формирование которых требует синтеза многих веществ, в первую очередь белков со специфическими свои?ствами -- ферментов, иммунопротеинов, структурных, сократительных, транспортных и других белков. Свои?ства белковои? молекулы определяются аминокислотнои? последовательностью ее полипептиднои? цепи, которая прямо задается последовательностью нуклеотидов в ДНК соответствующего гена и является элементарным, или простым, признаком.

Основные свои?ства гена как функциональнои? единицы генетического аппарата определяются его химическои? организациеи?.

Дискретность наследственного материала, предположение о которои? высказал еще Г. Мендель, подразумевает делимость его на части, являющиеся элементарными единицами,--гены. В настоящее время ген рассматривают как единицу генетическои? функции. Он представляет собои? минимальное количество наследственного материала, которое необходимо для синтеза тРНК, рРНК или полипептида с определенными свои?ствами. Ген несет ответственность за формирование и передачу по наследству отдельного признака или свои?ства клеток, организмов данного вида. Кроме того, изменение структуры гена, возникающее в разных его участках, в конечном итоге приводит к изменению соответствующего элементарного признака.

Таким образом, на генном уровне организации наследственного материала обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальное изменение отдельных признаков и свои?ств клеток, организмов данного вида.

2) Хромосомный уровень

Термин хромосома был предложен в 1888 г. немецким морфологом В. Вальдеи?ером, которыи? применил его для обозначения внутриядерных структур эукариотическои? клетки, хорошо окрашивающихся основными красителями (от греч. хрома -- цвет, краска, и сома -- тело). К началу XX в. углубленное изучение поведения этих структур в ходе самовоспроизведения клеток, при созревании половых клеток, при оплодотворении и раннем развитии зародыша обнаружило строго закономерные динамические изменения их организации. Это привело немецкого цитолога и эмбриолога Т. Бовери (1902--1907) и американского цитолога У. Сеттона (1902--1903) к утверждению теснои? связи наследственного материала с хромосомами, что легло в основу хромосомнои? теории наследственности.

Детальная разработка этои? теории была осуществлена в начале XX в. школои? американских генетиков, возглавляемои? Т. Морганом.

Работы Т. Моргана и его сотрудников не только подтвердили значение хромосом как основных носителеи? наследственного материала, представленного отдельными генами, но и установили линеи?ность расположения их по длине хромосомы.

Представление о хромосомах как носителях комплексов генов было высказано на основе наблюдения сцепленного наследования ряда родительских признаков друг с другом при передаче их в ряду поколении?. Такое сцепление неальтернативных признаков было объяснено размещением соответствующих генов в однои? хромосоме, которая представляет собои? достаточно устои?чивую структуру, сохраняющую состав генов в ряду поколении? клеток и организмов.

Согласно хромосомнои? теории наследственности, совокупность генов, входящих в состав однои? хромосомы, образует группу сцепления. Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в неи? генов. Число групп сцепления в наследственном материале организмов данного вида определяется, таким образом, количеством хромосом в гаплоидном наборе их половых клеток. При оплодотворении образуется диплоидныи? набор, в котором каждая группа сцепления представлена двумя вариантами -- отцовскои? и материнскои? хромосомами, несущими оригинальные наборы аллелеи? соответствующего комплекса генов.

Представление о линеи?ности расположения генов в каждои? хромосоме возникло на основе наблюдения нередко возникающеи? рекомбинации (взаимообмена) между материнским и отцовским комплексами генов, заключенными в гомологичных хромосомах.

Было установлено, что частота рекомбинации характеризуется определенным постоянством для каждои? пары генов в даннои? группе сцепления и различна для разных пар. Это наблюдение дало возможность высказать предположение о связи частоты рекомбинации с последовательностью расположения генов в хромосоме и процессом кроссинговера, происходящим между гомологами в профазе I меи?оза.

3) Геномный уровень

Геномом называют всю совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов. Геном видоспецифичен, так как представляет собои? тот необходимыи? набор генов, которыи? обеспечивает формирование видовых характеристик организмов в ходе их нормального онтогенеза. Например, у некоторых видов появляются гаплоидные организмы, которые развиваются на основе одинарного набора генов, заключенного в геноме. Так, у ряда видов членистоногих гап-лоидными являются самцы, развивающиеся из неоплодотворенных яи?цеклеток.

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

2. Роль ядра в передаче наследственных признаков. Опыты Б.Л. Астаурова по андрогенезу

Ядро -- главная часть клетки. Роль ядра: участие в делении клетки, хранение и передача наследственных признаков организма, регуляция процессов жизнедеятельности в клетке, благодаря генетической информации, записанной в молекуле ДНК. В ядре каждой клетки содержится основная наследственная информация, необходимая для развития целого организма со всем разнообразием его свойств и признаков. Именно ядро играет центральную роль в явлениях наследственности.

Андрогенез ( мужчина + происхождение) -- развитие яйцеклетки с мужским ядром, привнесённым в неё спермием в процессе оплодотворения. Особый случай девственного развития, или партеногенеза; иногда его называют «мужской партеногенез».

Андрогенез наблюдается у отдельных видов животных (шелкопряд) и растений (табак, кукуруза) в тех случаях, когда материнское ядро погибает до оплодотворения, которое при этом является ложным, то есть женское и мужское ядра не сливаются (псевдогамия) и в дроблении участвует только мужское ядро.

Астауров экспериментально доказал ведущую роль ядра в наследовании признаков вида и впервые разработал способы направленного получения 100 % особей одного пола на тутовом шелкопряде, заложив тем самым основы теории регуляции пола. Астауров первым наблюдал у шелкопряда мутации, индуцированные рентгеновским и гамма-излучением.

3. Правила Э. Чаргаффа. Комплементарность структуры ДНК. Проблема избыточности ДНК

Правила Чаргаффа -- система эмпирически выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК. Были сформулированы в результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949--1951 гг.

1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина -- цитозину: А=Т, Г=Ц.

2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.

3. Количество оснований с 6 аминогруппами равно количеству оснований с 6 кетогруппами: А+Ц=Г+Т.

Вместе с тем, соотношение (A+Т) : (Г+Ц) может быть различным у ДНК разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других -- ГЦ.

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.

Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляющаяся в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами (рис. 3.6). Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нуклеотида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует ту же самую аминокислоту.

Существует предположение, что в процессе возникновения жизни на Земле первым шагом явилось образование самовоспроизводящихся молекул нуклеиновых кислот, не несущих первоначально функции кодирования аминокислот в белках. Благодаря способности к самовоспроизведению эти молекулы сохранялись во времени. Таким образом, первоначальный отбор шел на способность к самосохранению через самовоспроизведение. В соответствии с рассмотренным предположением позднее некоторые участки ДНК приобрели функцию кодирования, т.е. стали структурными генами, совокупность которых на определенном этапе эволюции составила первичный генотип. Экспрессия возникших кодирующих последовательностей ДНК привела к формированию первичного фенотипа, который оценивался естественным отбором на способность выживать в конкретной среде.

Важным моментом в рассматриваемой гипотезе является предположение о том, что существенным компонентом первых клеточных геномов была избыточная ДНК, способная реплицироваться, но не несущая функциональной нагрузки в отношении формирования фенотипа. Предполагают, что разные направления эволюции геномов про- и эукариот связаны с различной судьбой этой избыточной ДНК предкового генома, который должен был характеризоваться достаточно большим объемом. Вероятно, на ранних стадиях эволюции простейших клеточных форм у них еще не были в совершенстве отработаны главные механизмы потока информации (репликация, транскрипция, трансляция). Избыточность ДНК в этих условиях создавала возможность расширения объема кодирующих нуклеотидных последовательностей за счет некодирующих, обеспечивая возникновение многих вариантов решения проблемы формирования жизнеспособного фенотипа.

4. Современные представления о генетическом коде. Опыты Ниринберга. Мультимерная организация белков (гемоглобин человека).

Генетимческий код -- свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

Свойства генетического кода:

1. Триплетность -- значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

2. Непрерывность -- между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость -- один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

4. Однозначность (специфичность) -- определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты -- цистеин и селеноцистеин)

5. Вырожденность (избыточность) -- одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

6. Универсальность -- генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности -- от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).

7. Помехоустойчивость -- мутации замен нуклеотидов не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

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. Некоторые белки состоят более чем из одной субъединицы. Их называют мультимерными. Если субъединицы белка одинаковы, то белок-гомомультимер, детерминируемый одним геном. Если же субъединицы белка различны, то белок называют гетеромультимером. Гемоглобин служит примером белка, состоящего более чем из одного типа полипептидных субъединиц. Группа гема связана с двумя а-субъединицами и двумя р-субъединица-ми. Каждый тип субъединиц-иная полипептидная цепь и продукт другого гена. Таким образом, функция гемоглобина может быть подавлена мутацией в любом из генов, кодирующих либо а-, либо Р-субъединицу. В связи с этими данными гипотеза один ген-один ферментбыла сформулирована в более общем виде, применительно к любому гетеромультимерному белку. Теперь она получила более точное выражение один ген-одна полипептидная цепь.



5. Хромосомная теория наследственности Т. Моргана, ее основные положение. Группы сцепленных генов. Полное и неполное сцепление. Кроссинговер

Т.Г.Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности в 1911 г. Согласно теории, совокупность генов, входящих в состав одной хромосомы, образует группу сцепления.(другими словами- группой сцепления называются гены, локализованные в одной хромосоме .У каждого вида организмов число групп сцепления равняется числу пар хромосом, т.е у мухи дрозофилы их 4, у гороха-7, у кукурузы -10, у томата 12 и т.д. Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в ней генов. Число групп сцепления в наследственном материале организмов данного вида определяется, таким образом, количеством хромосом в гаплоидном наборе их половых клеток. При оплодотворении образуется диплоидный набор, в котором каждая группа сцепления представлена двумя вариантами -- отцовской и материнской хромосомами, несущими оригинальные наборы аллелей соответствующего комплекса генов.

Если Мендель проводил свои опыты на горохе, то для Моргана основным объектом стала плодовая мушка дрозофила. Скрещивая мушку дрозофилу с серым телом и нормальными крыльями с мушкой, имеющей темную окраску тела и зачаточные крылья, в первом поколении Морган получал гибридов, имеющих серое тело и нормальные крылья. При проведении анализирующего скрещивания самки F1 с самцом, имевшим рецессивные признаки, теоретически ожидалось получить потомство с комбинациями этих признаков в соотношении 1:1:1:1. Однако в потомстве было 41,5% серых длиннокрылых и 41,5% черных с зачаточными крыльями и лишь незначительная часть мушек имела перекомбинированные признаки (8,5% черные длиннокрылые и 8,5% серые с зачаточными крыльями). Морган пришел к выводу, что гены, обусловливающие развитие серой окраски тела и длинных крыльев, локализованы в одной хромосоме, а гены, обусловливающие развитие черной окраски тела и зачаточных крыльев, -- в другой .

Основные положения хромосомной теории наследственности:

1. Гены находятся в хромосомах. Каждая хромосома представляет собой группу сцепления генов. Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом.

2. Каждый ген в хромосоме занимает определенное место(локус). Гены в хромосомах расположены линейно.

3. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен аллельными генами.

4. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.

Во время мейоза, при конъюгации хромосом гомологичные хромосомы обмениваются идентичными участками. Этот процесс получил название кроссинговера, или перекреста. Кроссинговер может произойти в любом участке хромосомы, даже в нескольких местах одной хромосомы. Чем дальше друг от друга расположены локусы в одной хромосоме , тем чаще между ними следует ожидать обмен участками.

6. Хромосомное определение пола. Сцепленное с полом наследование

Признаки, наследуемые через половые хромосомы, получили название сцепленных с полом. У человека признаки, наследуемые через Y-хромосому, могут быть только у лиц мужского пола, а наследуемые через Х-хромосому -- у лиц как одного, так и другого пола. Особь женского пола может быть как гомо- так и гетерозиготной по генам,локализованным в X-хромосоме, а рецессивные аллели генов у нее проявляются только в гомозиготном состоянии. Поскольку у особей мужского пола только одна X-хромосома, все локализованные в ней гены, даже рецессивные, сразу же проявляются в фенотипе. Такой организм часто называют гемизиготным.

Х-сцепленное наследование. Х-хромосома присутствует в кариотипе каждой особи, поэтому признаки, определяемые генами этой хромосомы, формируются у представителей как женского, так и мужского пола. Особи гомогаметного пола получают эти гены от обоих родителей и через свои гаметы передают их всем потомкам. Представители гетерогаметного пола получают единственную Х-хромосому от гомогаметного родителя и передают ее своему гомогаметному потомству.

У млекопитающих (в том числе и человека) мужской пол получает Х-сцепленные гены от матери и передает их дочерям. При этом мужской пол никогда не наследует отцовского Х-сцепленного признака и не передает его своим сыновьям (рис. 6.10).

Так как у гомогаметного пола признак развивается в результате взаимодействия аллельных генов, различают Х-сцепленное доминантное и Х-сцепленное рецессивное наследование. Х-сцепленный доминантный признак (красный цвет глаз у дрозофилы) передается самкой всему потомству. Самец передает свой Х-сцепленный доминантный признак лишь самкам следующего поколения. Самки могут наследовать такой признак от обоих родителей, а самцы -- только от матери. Х-сцепленный рецессивный признак, (белый цвет глаз у дрозофилы) у самок проявляется только при получении ими соответствующего аллеля от обоих родителей (XaXa). У самцов XaY он развивается при получении рецессивного аллеля от матери. Рецессивные самки передают рецессивный аллель потомкам любого пола, а рецессивные самцы --только «дочерям»

При Х-сцепленном наследовании, так же как и при аутосомном, возможен промежуточный характер проявления признака у гетерозигот. Например, у кошек пигментация шерсти контролируется Х-сцепленным геном, разные аллели которого определяют черную (XA и рыжую (XA') пигментацию. Гетерозиготные самки XAXA' имеют пеструю окраску шерсти. Самцы же могут быть либо черными (XAY, либо рыжими (XA'Y).

Голандрическое наследование. Активно функционирующие гены Y-хромосомы, не имеющие аллелей в Х-хромосоме, присутствуют в генотипе только гетерогаметного пола, причем в гемизиготном состоянии. Поэтому они проявляются фенотипически и передаются из поколения в поколение лишь у представителей гетерогаметного пола. Так, у человека признак гипертрихоза ушной раковины («волосатые уши») наблюдается исключительно у мужчин и наследуется от отца к сыну.

7. Половой хроматин и его значение в выявлении хромосомных болезней

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. Сохраняя преемственность в ряду клеточных поколений, 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. Половой хроматин определяет различия в структуре интерфазных ядер у особей женского и мужского пола. У млекопитающих и человека в клетках особей женского пола имеется крупная глыбка полового хроматина, называемая тельцем Барра. Она представляет собой одну из двух Х-хромосом, находящуюся в плотно спирализованном и, следовательно, неактивном состоянии. По присутствию дополнительных телец полового хроматина в ядрах судят о наличии лишних Х-хромосом в наборе, что используется при диагностике некоторых наследственных заболеваний.



8. Взаимодействие аллельных генов: сверхдоминирование, кодоминирование. Множественные аллели. Наследование групп крови человека по системе АВ0, MN и др. системы групп крови (Kell, Kidd)

Кодоминирование представляет собой такой тип взаимодействия аллельных генов, при котором каждый из аллелей проявляет свое действие. В результате этого формируется некий промежуточный вариант признака, новый по сравнению с вариантами, определяемыми каждым аллелем самостоятельно. Примером может служить формирование IV, илиАВ-группы,крови у человека, гетерозиготного по аллелям IA и IB, которые по отдельности детерминируют образование II и III групп крови. Присутствие в генофонде вида одновременно различных аллелей гена называют множественным аллелизмом. Примером этому служат разные варианты окраски глаз у плодовой мухи: белая, вишневая, красная, абрикосовая, эозиновая,-- обусловленные различными аллелями соответствующего гена. 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 резуспринадлежность. Более ста аллелей насчитывают гены б- ив-полипептидовгемоглобина.

Причиной множественного аллелизма являются случайные изменения структуры гена (мутации), сохраняемые в процессе естественного отбора в генофонде популяции. Многообразие аллелей, рекомбинирующихся при половом размножении, определяет степень генотипического разнообразия среди представителей данного вида, что имеет большое эволюционное значение, повышая жизнеспособность популяций в меняющихся условиях их существования. Кроме эволюционного и экологического значения аллельное состояние генов оказывает большое влияние на функционирование генетического материала. В диплоидных соматических клетках эукариотических организмов большинство генов представлено двумя аллелями, которые совместно влияют на формирование признаков. Система АВ0. Впервые антигенные различия эритроцитов человека были выявлены в 1900 г. К.

Ландштейнером. Группы крови системы АВ0 («а», «б», «ноль») контролируются одним аутосомным геном I (от слова изогемагглютиноген) или ABO, расположенным в длинном плече хромосомы 9. В этом гене идентифицировано 3 аллеля IA, IB и I0. Аллели IA и IB кодоминантны по отношению друг к другу, и оба они доминантны по отношению к аллелю I0. Таким образом, при сочетании различных аллелей могут образовываться 4 группы крови: 0 или I при генотипе I0I0, A или II при генотипах IAIA и IAI0, B или III при генотипах IBIB и IBI0 и AB или IV при генотипе IAIB . различные сочетания аллелей в генотипе дают разные фенотипы: 4 группы крови I (0), II (А), III (В), IV (АВ), которые различаются между собой антигенными свойствами эритроцитов. Антигены (агглютиногены) находятся на поверхности эритроцитов (гликокаликс);

* особенностью системы является наличие в сыворотке крови спецефических антител (агглютининов), разноименных по отношению к собственным агглютиногенам (они одновременно находятся в крови);

* разнообразие групп крови обеспечивает фенотипический полиморфизм в популяциях человека по данному признаку.

Ген I обладает 100% пенетрантностью.

Группы крови являются примером однозначной нормы реакции организма (группа крови не изменяется в течение жизни ни при каких изменениях среды) Группы крови системы MN. Первый случай кодоминантного взаимодействия аллелей у человека был описан для групп крови системы MN. В этой системе существует три группы M, N и MN. В ходе обширного исследования было показано, что у родителей с одинаковой группой крови M или N рождаются дети, с таким же фенотипом, как и у родителей. Это значит, что обладатели группы крови M или N могут быть только гомозиготами MM или NN соответственно. Дети с группой MN появляются тогда, когда один из родителей имеет группу крови M, а другой N. В этом случае оба аллеля функционируют вместе, и это проявляется в формировании особого фенотипа MN.

Группы крови системы Rh. Другая система групповых антигенов, названная системой резус-фактора (Rh), находится под более сложным генетическим контролем. Резус-фактор

Белок на мембране эритроцитов. Присутствует у 85% людей - резус-положительных. Остальные 15% - резус-отрицательны.

Наследование: R- ген резус-фактора. r - отсутствие резус фактора.

Родители резус-положительны (RR, Rr) - ребенок может быть резус-положительным (RR, Rr) или резус-отрицательным (rr).

Один родитель резус-положительный (RR, Rr), другой резус-отрицательный (rr) - ребенок может быть резус-положительным (Rr) или резус-отрицательным (rr).

Родители резус-отрицательны, ребенок может быть только резус-отрицательным.

Резус-фактор, как и группу крови, необходимо учитывать при переливании крови. При попадании резус фактора в кровь резус-отрицательного человека, к нему образуются антирезусные антитела, которые склеивают резус-положительные эритроциты в монетные столбики.

9. Взаимодействие неаллельных генов. В зависимости от характера участия неаллельных генов в формировании того или иного признака различают несколько видов их взаимодействия

Большинство количественных признаков организмов определяется полигенами, т.е. системой неаллельных генов, одинаково влияющих на формирование данного признака. Оно сводится чаще всего к суммированию действия сходных аллелей этих генов, определяющих формирование одинакового варианта признака. Совместное действие полигенов обусловливает различную экспрессивность -- степень выраженности признака, зависящую от дозы соответствующих аллелей. В основе появления в геноме таких генов, очевидно, лежит их дупликация или амплификация. Это позволяет увеличить синтез соответствующего продукта в клетках организма.

По полимерному типу взаимодействия у человека определяется интенсивность окраски кожных покровов, зависящая от уровня отложения в клетках пигмента меланина. В геноме человека имеется четыре гена, отвечающих за этот признак. В генотипе все они представлены в двойной дозе. В связи с тем, что эти гены отвечают за развитие одного и того же признака, их обозначают одной и той же буквой, но с разными символами, чтобы подчеркнуть их неаллельность -- P1P2P3P4.

Большинство сложных признаков, являясь результатом целой цепи биохимических и структурных преобразований, требует участия многих генов, влияющих на разные звенья этого процесса. Отсутствие нормального первичного продукта, хотя бы одного из них, не позволяет сформировать нормальный сложный признак. Так как часто нормальный первичный продукт гена является результатом экспрессии его доминантного аллеля, сложный признак формируется при наличии в генотипе доминантных аллелей всех взаимодействующих генов. Такое взаимодействие неаллельных генов, при котором они взаимно дополняют друг друга, называют комплементарным взаимодействием.

В некоторых случаях при взаимодействии неаллельных генов для развития сложного признака необходимо обязательное присутствие одного из генов (А) в гомозиготном рецессивном состоянии (аа), тогда другой ген (В) обеспечивает формирование признака.

Наличие в генотипе доминантного аллеля гена А каким-то образом препятствует проявлению гена В(b), и признак не формируется. Такое взаимодействие неаллельных генов принято называть эпистатическим, Отсутствие необходимых данных о роли первичных продуктов многих генов в формировании сложных признаков часто не позволяет точно установить характер взаимодействия неаллельных локусов, участвующих в биохимических процессах и составляющих основу образования этих признаков. В одних случаях развитие признака при наличии двух неаллельных генов в доминантном состоянии рассматривают как комплементарное взаимодействие, в других -- неразвитие признака, определяемого одним из генов при отсутствии другого гена в доминантном состоянии, расценивают как рецессивный эпистаз; если же признак развивается при отсутствии доминантного аллеля неаллельного гена, а в его присутствии не развивается, говорят о доминантном эпистазе.

Полимерное взаимодействие неаллельных генов может быть кумулятивным и некумулятивным. При кумулятивной (накопительной) полимерии степень проявления признака зависит от суммарного действия нескольких генов. Чем больше доминантных аллелей генов, тем сильнее выражен тот или иной признак.

Расщепление в F2 по фенотипу при дигибридном скрещивании происходит в соотношении 1:4:6:4:1.

При некумулятивной полимерии признак проявляется при наличии хотя бы одного из доминантных аллелей полимерных генов. Количество доминантных аллелей не влияет на степень выраженности признака. Расщепление в F2 по фенотипу при дигибридном скрещивании -- 15:1.

В процессе реализации наследственной информации, заключенной в гене, проявляется целый ряд его свойств. Определяя возможность развития отдельного качества, присущего данной клетке или организму, ген характеризуется дискретностью действия.

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. Очевидно, такую способность следует оценить как множественное, или плейотропное, действие гена (хотя традиционно под плейотропным действием гена принято понимать участие его продукта -- полипептида -- в разных биохимических процессах, имеющих отношение к формированию различных сложных признаков).

Стабильность гена заключается в способности сохранять структуру, а лабильность в способности мутировать.

10. Основные положения теории гена на современном этапе. Свойства гена как функциональной единицы: дискретность, стабильность, лабильность, специфичность, плейотропия. Понятия о пенетрантности, экспрессивности

- Ген занимает в хромосоме определённый участок или локус.

- Ген это часть молекулы ДНК, которая состоит из определённой последовательности нуклеотидов и является функциональной единицей наследственной информации. Число нуклеотидов, входящих в состав различных генов неодинаковое.

- Внутри гена могут происходить мутации. К ним способны участки гена - мутоны. А также рекомбинации. К ним способны реконы.

- Существуют структурные (координируют синтез белка) и функциональные (контролируют и направляют деятельность структурных генов) гены.

- Расположение триплетов нуклеотидов структурных генов коллинеарно последовательности аминокислот молекулы белка, кодируемой данным геном.

- Фрагменты ДНК, входящие в состав гена, способны к репарации, поэтому не всякие повреждения гена ведут к мутациям.

- Генотип дискретен. Он состоит из отдельных генов. Функционирует как единое целое. На функционирование генов оказывают факторы внешней и внутренней среды.

11. Эволюция понятия гена. Взгляды Н. Кольцова на биохимическую структуру гена

Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген -- фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определенный в качественном и количественном отношении объем биологической (генетической) информации. Элементарное явление заключается прежде всего в процессе конвариантной редупликации, или самовоспроизведении, с возможностью некоторых изменений в содержании закодированной в гене информации. Путем редупликации ДНК происходит копирование заключенной в генах биологической информации, что обеспечивает преемственность и сохранность (консерватизм) свойств организмов в ряду поколений. Редупликация, таким образом, является основой наследственности.

В начале 20 века по предложению датского ученого В.Иогансена единицами наследственности было дано название генов.

Школа Моргана доказала, что гены находятся в хромосомах и расположены в них в линейном порядке.

В начале 20 столетия господствовало представление о стабильности и неизменяемости генов (Вейсман, Бэтсон). Считалось также, что если изменение генов возможно, то происходит оно независимо от влияния среды, т.е. самопроизвольно (Г. де Фриз). В последующие годы были опровергнуты ошибочные представления об автономности и неизменности генов.

Советский исследователь Н.К. Кольцов (1871-1940) еще в 1928 г. высказал мысль о связи генов с определённым химическим веществом. Он предполагал, что хромосома представляет собой крупную белковую молекулу, отдельные радикалы которой выполняют функцию генов. Кольцов считал, что белковые мицеллы способны к самовоспроизведению. Эта теория оказалась ошибочной, но в ней впервые в науке была сделана попытка рассмотреть закономерности наследственности на молекулярном уровне и впервые выдвинута идея об авторепродукции единиц наследственной информации (матричный принцип синтеза макромолекул). В последние десятилетия удалось более глубоко проникнуть в изучение материальных основ наследственности и перейти к выяснению их химической природы.

12. Экспериментальные доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации (явление трансформации в опытах Гриффитса, трансдукция, эксперименты Френкель-Конрата с вирусом табачной мозаики, опыт Херши и Чейз с бактериофагом)

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.

Изменение наследственных свойств бактериальных клеток путем переноса ДНК от одного штамма к другому с помощью ДНК-фага -- явление трансдукции

Френкель-Конрат работал с вирусом табачной мозаики (ВТМ). В этом вирусе содержится РНК, а не ДНК. РНК покрыта белковой облочкой. Вирус можно "разобрать" и "собрать" снова, но уже так, что РНК вируса одного штамма будет окружена белковой оболочкой вируса другого штамма. Разные штаммы вируса вызывают разную картину поражения листьев табака. После смены белковой оболочки "переодетые" вирусы вызывали картину поражения, характерную для того штамма, чья РНК была покрыта чужим белком. Позднее из пораженных растений выделяли вирусы штамма 1.

Эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз в 1952 г.

Суть опыта: фаги, у которых белковая оболочка была мечена радиоактивной серой (S35), а ДНК - радиоактивным фосфором (Р32), инкубировали с бактериями. Затем бактерии отмывали. В смывных водах не обнаруживали Р32, а в бактериях - S35 Следовательно, внутрь попала только ДНК. Через несколько минут из бактерии выходили десятки полноценных фагов, содержащих и белковую оболочку, и ДНК. Отсюда следовал однозначный вывод о том, что именно ДНК выполняет генетическую функцию - несет информацию как о создании новых копий ДНК, так и о синтезе фаговых белков.

13. Молекулярное строение генов прокариот и эукариот. Концепция гена «цистрона» для прокариот и «мозаичного» для эукариот. Гипотеза «один ген - один фермент» и ее развитие в концепцию «один цистрон - один полипептид». Центральная догма биологии

Геном - совокупность всех генов гаплоидного набора хромосом данного вида организма.

Спирализация ДНК в «хромосоме» прокариот значительно меньше, чем у эукариот.

Геном эукариот:

* большое число генов,

* большее количество ДНК,

* в хромосомах имеется очень сложная система контроля активности генов во времени и пространстве, связанная с дифференциацией клеток и тканей в онтогенезе организма.

Количество ДНК в хромосомах велико и возрастает по мере усложнения организмов. Для эукариот также характерна избыточность генов. Больше половины гаплоидного набора генома эукариотов составляют уникальные гены, представленные лишь по одному разу. У человека таких уникальных генов - 64%.

Т.о. в течение последних 10 лет сформировалось представление, что в состав генома про- и эукариот входят гены:

1) имеющие либо стабильную, либо нестабильную локализацию;

2) уникальная последовательность нуклеотидов представлена в геноме единичными или малым числом копий: к ним относятся структурные и регуляторные гены; уникальные последовательности эукариот, в отличии от генов прокариот, имеют мозаичное строение;

3) многократно повторяющиеся последовательности нуклеотидов являются копиями (повторениями) уникальных последовательностей (у прокариот нет). Копии группируются по несколько десятков или сотен и образуют блоки, локализующиеся в определенном месте хромосомы. Повторы реплицируются, но, как правило, не транскрибируются. Они могут играть роль:

1) регуляторов генной активности;

2) защитного механизма от точковых мутаций;

3) хранение и передача наследственной информации;

Цистрон -- наименьшая единица генетической экспрессии. Некоторые ферменты и белки состоят из нескольких неидентичных субъединиц. Таким образом, известная формула «один ген -- один фермент» не является абсолютно строгой. Цистрон -- это минимальная экспрессируемая генетическая единица, кодирующая одну субъединицу белковой молекулы. Поэтому вышеупомянутую формулу можно перефразировать как «один цистрон -- одна субъединица".

Строение мозаичного гена

В конце 70-х годов было выяснено, что у эукариот имеются гены, которые содержат «лишнюю» ДНК, не представленную в молекуле мРНК. Они получили название мозаичных, прерывистых генов; генов, имеющих экзон-интронное строение.

1.Мозаичные гены эукариот имеют больший размер, чем последовательность нуклеотидов, представленная в мРНК (3-5%).

2.Мозаичные гены состоят из экзонов и интронов. Интроны удаляются из первичного транскрипта и отсутствуют в зрелой мРНК, которая состоит только из экзонов. Число и размеры интронов и экзонов индивидуальны для каждого гена, но интроны по размерам значительно больше экзонов.

3.Ген начинается экзоном и заканчивается экзоном, но внутри гена может быть любой набор интронов (гены глобина имеют 3 экзона и 2 интрона) (рис. 20). Экзоны и интроны обозначаются цифрами или буквами в порядке их расположения вдоль гена.).

4. Порядок расположения экзонов в гене совпадает с их расположением в мРНК.

5.На границе экзон-интрон имеется определённая постоянная последовательность нуклеотидов (ГТ - АГ), присутствующая во всех мозаичных генах.

6. Экзон одного гена может быть интроном другого.

7. В мозаичном гене иногда нет однозначного соответствия между геном и кодируемым им белком, то есть одна и та же последовательность ДНК может принимать участие в синтезе различных вариантов белка.

8. Один и тот же транскрипт (про-мРНК) может подвергаться разному сплайсированию, в результате этого сплайсированные участки мРНК могут кодировать разные варианты одного белка.

9. Особенности строения мозаичного гена позволяют осуществлять альтернативный сплайсинг (экзон L - экзон 2,3 или экзон S - экзон 2,3): синтезировать несколько вариантов белка на основе информации одного гена; создавать удачные комбинации белков, а если таковые неудачны, то производить отбор на уровне мРНК при сохранении неизменной ДНК (рис. 21).

В этом проявляется принцип экономного использования генетической информации, т.к. у млекопитающих в процессе транскрипции участвуют приблизительно 5-10% генов.

Предположение о связи между генами и ферментами впервые высказал, хотя и без употребления этих слов, английский врач Арчибальд Гаррод в 1908 г. Гаррод постулировал, что некоторые "врожденные ошибки метаболизма" - результат неспособности тела вырабатывать определенные химические вещества, что в свою очередь обусловлено наследственными механизмами. Прошло почти 40 лет, прежде чем первые работы по молекулярной генетике подтвердили эту гипотезу и во всей полноте продемонстрировали ее значение.

Исследования в области молекулярной генетики начались с выявления различных веществ и ферментов, участвующих в метаболических процессах. Некоторые нарушения метаболизма связаны с дефектами, которые наследуются так, как если бы они определялись единичными генами. Эти нарушения возникают спонтанно, как в случае мутаций, или же передаются по наследству в соответствии с обычными законами генетики. Рассмотрим, например, обмен аминокислот фенилаланина и тирозина; обычно они используются для синтеза клеточных белков и других веществ, выполняющих структурные и физиологические функции, а их избыток распадается с образованием СО₂, воды и азотистых отходов метаболизма. Во всех случаях судьбу этих аминокислот определяет простой метаболический путь, в котором участвует несколько ферментов. Дефектный фермент или отсутствие фермента в одной из четырех точек на этом пути приводит к таким нарушениям метаболизма, как фенилкетонурия, кретинизм, альбинизм и алкаптонурия. Характер наследования этих четырех заболеваний указывает на то, что каждое из них контролируется каким-то одним рецессивным геном.

Дальнейшие важные данные в пользу гипотезы "один ген - один фермент" были получены в работах Бидла и Татума, начатых в 1941 г. и посвященных механизмам наследования ферментов у розовой хлебной плесени (Neurospora crassa). Подобно Менделю и Моргану, эти авторы очень тщательно выбирали объект для своих экспериментов. Нейроспора - сумчатый гриб (аскомицет), обладающий следующими ценными для генетика качествами:

1) его легко выращивать;

2) его можно получать в больших количествах;

3) у него короткое время генерации (10 дней);

4) вегетативная стадия гаплоидная.

Последняя особенность очень важна. Поскольку на протяжении большей части жизненного цикла клетки этой плесени содержат только один набор хромосом, проявление рецессивных генов не маскируется доминантными аллелями. Если в результате мутации возникает рецессивный ген, то его действие сказывается немедленно. Нейроспора обычно образует бесполые споры (конидии), которые прорастают и дают начало мицелию. Кусочки мицелиев, принадлежащих к двум противоположным типам скрещиваемости, могут сливаться, образуя диплоидную зиготу. Эта зигота тотчас же проходит мейотическое деление, за которым следует одно митотическое деление, и образуется сумка (аск) - плодовое тело, содержащее восемь гаплоидных аскоспор; четыре из них происходят от одного из родительских штаммов, а четыре - от другого. Каждая аскоспора, прорастая, дает начало новому мицелию. Таким образом, мицелий может происходить либо от конидии, возникшей бесполым путем, либо от аскоспоры, образовавшейся половым путем

Нейроспора способна расти на культуральной среде, содержащей только агар, сахара, соли и витамин биотин. Такую среду называют минимальной. Если нейроспора может расти на ней, то это означает, что она способна синтезировать все необходимые для роста углеводы, жиры, аминокислоты и витамины с помощью ферментов, вырабатываемых собственными клетками.

Эксперименты Бидла и Татума состояли в следующем.

1. Конидии подвергали рентгеновскому облучению, чтобы повысить частоту мутаций.

2. Облученные конидии переносили на полную среду (содержащую все аминокислоты и витамины, необходимые для нормального роста) и выращивали на ней.

3. Образовавшиеся мицелии скрещивали с мицелиями, развившимися из конидий, не подвергнутых рентгеновскому облучению ("дикий тип").

4. Образующиеся аски содержали по четыре аскоспоры от каждого из родительских штаммов (мутантного и дикого типа).

5. Аскоспоры извлекали из асков и выращивали по отдельности на полной питательной среде.

6. Пробы мицелиев помещали на обогащенную витаминами минимальную среду. В некоторых случаях роста не наблюдалось.

7. Штаммы, которые не росли, не были способны синтезировать некоторые аминокислоты. Для того чтобы определить, какие это были аминокислоты, эти штаммы переносили на ряд минимальных сред, к каждой из которых добавлялась какая-либо одна аминокислота.

8. Если данный штамм рос на определенной среде, то, следовательно, эта среда содержала ту аминокислоту, которую данный штамм синтезировать не способен. Таким образом были идентифицйрованы мутантные штаммы нейроспоры. Анализ полученных результатов показал, что во всех случаях, в которых половина аскоспор из данного аска давала мутантный штамм, другая половина была способна расти на минимальной среде.

Эти результаты указывали на то, что мутантный ген ведет себя как единичный рецессивный ген и наследуется в соответствии с законами Менделя. Бидл и Татум пришли к выводу, что в каждом случае рентгеновские лучи вызывали мутацию одного гена, контролирующего синтез одного фермента, необходимого для синтеза одной аминокислоты. Это легло в основу их гипотезы "один ген - один фермент"

В этих ранних исследованиях был разработан экспериментальный метод с использованием минимальных сред, применяемый в генетике микроорганизмов во многих модификациях и давший огромное количество информации о роли генов.

В настоящее время твердо установлено, что гены контролируют происходящие в клетке процессы путем синтеза ферментов и других белков. Эти ферменты в свою очередь определяют синтез всех прочих веществ клетки.

С течением времени, однако, определение гена было видоизменено. Работы по строению генов бактериофага Т₄, проведенные Бензером в 1955 г., привели к созданию концепции цистрона как единицы функции. Цистрон - это участок ДНК, несущий информацию, необходимую для синтеза одной полипептидной цепи; такая цепь может функционировать самостоятельно как биологически активная белковая молекула или становится частью более крупной макромолекулы. В настоящее время концепцию "один ген - один фермент" сменила концепция "один цистрон один полипептид".

...