8312

Генетика. Конспект лекций

Конспект

Биология и генетика

Введение. История развития генетики Цель лекции: ознакомить учащихся с основными этапами развития генетики как науки, познакомить с зарубежными и отечественными ведущими учеными-генетиками и селекционерами, изучить особенности темы Основы генетики ...

Русский

2013-02-09

3.82 MB

735 чел.

Введение. История развития генетики

Цель лекции: ознакомить учащихся с основными этапами развития генетики как науки, познакомить с зарубежными и отечественными ведущими учеными-генетиками и селекционерами, изучить особенности темы «Основы генетики и селекции» в средней школе.

План лекции:

  1.  Предмет генетики
  2.  Краткая история развития представлений о наследственности.
  3.  Вклад ученых в развитие  генетики
  4.  Вклад белорусских ученых в развитие  генетики

  1.  Предмет генетики

По признанию многих современных биологов генетика в последние годы стала сердцевиной всей биологической науки. Лишь в рамках генетики разнообразие жизненных форм и процессов может быть осмыслено как единое целое.

Таким образом, генетика – наука о наследственности и ее реализации в развитии, о закономерностях наследования генетически закрепленных признаков. Наследственность можно определить как биологический процесс, обуславливающий сходство между родителями и потомством.. В понятие наследственности по М.Е.Лобашеву   входят   четыре   группы явлений: организация генетического материала, его экспрессия, воспроизведение (репликация) и передача от одного поколения к другому. Таким образом, генетика объединяет в одно целое эмбриологию и биологию развития, морфологию и физиологию, объединяет в единую науку – биологию.

Другой проблемой генетики является проблемы изменчивости общего для любого конкретного вида генотипа.

Очень велико и практическое значение генетики, т.к. она служит теоретической основой селекции полезных микроорганизмов, культурных растений и домашних животных.

Из генетики выросли такие мощно развивающиеся науки как биотехнология, генная инженерия, молекулярная биология. Трудно переоценить роль генетики в развитии медицины. Основными разделами современной генетики являются: цитогенетика, молекулярная генетика, мутагенез, популяционная, эволюционная и экологическая генетика, физиологическая генетика, генетика индивидуального развития, генетика поведения и др. Разделами частной генетики: генетика микроорганизмов, генетика растений, генетика животных, генетика человека.

2. Краткая история развития представлений о наследственности

Фактически вплоть до начала 20 века гипотезы о механизмах наследственности имели умозрительный характер. Первые идеи о механизмах наследственности высказывали древние греки уже к V веку до н.э., в первую очередь Гиппократ. По его мнению, половые задатки (т.е. в нашем понимании яйцеклетки и сперматозоиды), участвующие в оплодотворении, формируются при участии всех частей организма, в результате чего признаки родителей непосредственно передаются потомкам, причем здоровые органы поставляют здоровый репродуктивный материал, а нездоровые – нездоровый. Это теория прямого наследования признаков.

Аристотель (IV в до н.э.) высказывал несколько иную точку зрения: он полагал, что половые задатки, участвующие в оплодотворении, производятся не напрямую из соответствующих органов, а из питательных веществ, необходимых

для этих органов. Это теория непрямого наследования.

Много лет спустя, на рубеже 18-19 веков, автор теории эволюции
Ж.-Б. Ламарк использовал представления Гиппократа для построения своей теории передачи потомству новых признаков, приобретенных в течение жизни.

Теория пангенезиса, выдвинутая Ч. Дарвином в 1868 году также базируется на идее Гиппократа. По мнению Дарвина, от всех клеток
организма отделяются мельчайшие частицы - "геммулы", которые,
циркулируя с током крови по сосудистой системе организма, достигают половых
клеток. Затем, после слияния этих клеток, в ходе развития организма следующего
поколения геммулы превращаются в клетки того типа, из которого произошли,
со всеми особенностями, приобретенными в течение жизни родителей.
Отражением представлений о передаче наследственности через "кровь" является существование во многих языках выражений: "голубая кровь", "аристократическая кровь", "полукровка" и т.д.

В 1871 году английский врач Ф. Гальтон (F. Galton), двоюродный брат
Ч. Дарвина опроверг своего великого родственника.
Он переливал кровь черных кроликов белым, а затем скрещивал белых между собой. В трех поколениях он "не нашел ни малейшего следа какого-либо нарушения чистоты серебристо белой породы". Эти данные показали, что по крайней мере в крови кроликов геммулы отсутствуют.

В 80-е годы 19-го века с теорией пангенезиса не согласился Август Вейсман
(
A. Weismann). Он предложил свою гипотезу, согласно которой в организме существуют два типа клеток: соматические и особая наследственная субстанция, названная им "зародышевой плазмой", которая в полном объеме присутствует только в половых клетках.

Современная генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов - в настоящее время проходит качественно новый этап своего развития, связанный с изучением молекулярных основ строения и функционирования генов и геномов, проблем генетической инженерии и ее использования в медицине, биологической промышленности, сельском хозяйстве и других направлениях науки и практики.

Историю генетики условно делят на три этапа. Первый этап классической генетики (1880 – 1930гг.), связанный с созданием теории дискретной наследственности (менделизм) и хромосомной теории наследственности (работы Моргана и его школы). Второй этап (1930 – 1953 гг.) – углубление принципов классической генетики и пересмотр ряда ее положений, исследования по мутационной изменчивости, доказательства сложного строения гена и генетической роли молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как материальной основы наследственности в клетке. Третий этап начинается с 1953 г., когда было описано строение ДНК и ее свойства, начаты и продолжаются работы по выделению ДНК и РНК и расшифровка генетического кода. В последние годы активно исследуются молекулярные основы строения и функционирования геномов, устанавливаются полные нуклеотидные последовательности геномов ряда организмов, в том числе человека, ведутся интенсивные исследования в области генетической инженерии. Подходы к современной генетике наметились в 18-ом и, особенно, в 19-ом веке. Растениеводы-практики, такие как
О. Сажрэ и Ш. Нодэн во Франции, А. Гершнер в Германии, Т. Найт в Англии обратили внимание на то, что в потомстве гибридов преобладают признаки одного из родителей. П. Люка во Франции сделал аналогичные наблюдения о наследовании различных признаков у человека.

Фактически всех их можно считать непосредственными предшественниками Менделя. Однако, только Мендель сумел глубоко продумать и провести спланированные эксперименты. Уже в первоначальной стадии работы он понял, что в эксперименте нужно выполнить два условия: растения должны обладать константно различающимися признаками и гибриды должны быть защищены от влияния чужой пыльцы. Таким условиям удовлетворял род Pisum (горох). Константность признаков была предварительно проверена в течение двух лет. Это были следующие признаки: "различия в длине и окраске стебля, в величине и форме листьев, в положении, окраске и величине цветков, в длине цветочных побегов, в окраске, форме и величине стручков, в форме и величине семян, в окраске семенной кожуры и белка". Часть из них оказались недостаточно контрастными и дальнейшую работу он с ними не проводил. Остались только 7 признаков. "Каждый из этих 7 признаков у гибрида или вполне тождественен с одним из двух отличительных признаков основных форм, так что другой ускользает от наблюдения, или же так похож на первый, что нельзя установить точного различия между ними". Признаки, "которые переходят в гибридные соединения совершенно неизменными... обозначены как доминирующие, а те, которые становятся при гибридизации латентными, как рецессивные". По наблюдениям Менделя "совершенно независимо от того, принадлежит ли доминирующий признак семенному или пыльцевому растению, гибридная форма остается в обоих случаях той же самой".

Таким образом, заслугой Менделя является то, что из непрерывной характеристики растений он выделил дискрентные     признаки,      выявил константность и контрастность их проявления, а также он ввел понятие доминантности и рецессивности. Все эти приемы впоследствии вошли в любой гибридологический анализ любого организма.

В результате скрещивания растений, обладающих двумя парами контрастных признаков, Мендель обнаружил, что каждый из них наследуется независимо от другого. Признаки эти контрастны и не теряются при гибридизации.

Работа Менделя не смогла заинтересовать современников  и не повлияла на распространенные в конце 19-го века представления о наследственности.

 Вторичное открытие законов Менделя в 1900 году Гуго де Фризом (Н. de Vries) в Голландии, Карлом Корренсом в Германии и Эрихом     Чермаком     в     Австрии утвердили представления о существования дискретных наследственных факторов. Мир уже был готов к тому, чтобы воспринять новую генетику. Началось ее триумфальное шествие. Проверяли справедливость законов о наследовании по Менделю (менделировании) на все новых и новых растениях и животных и получали неизменные подтверждения. Все исключения из правил быстро развивались в новые явления общей теории наследственности.

 В 1906 году англичанин Уильям Бэтсон (W. Bateson) предложил термин "генетика" (от латинского "geneticos" – относящийся к происхождению или "geneo" - порождаю, или "genos" – род, рождение, происхождение).

В 1909 году датчанин Вильгельм Иогансен (W. Iohanssen) предложил термины "ген", "генотип" и "фенотип".

Но уже вскоре после 1900 года встал вопрос, что такое ген и где он в клетке расположен? Еще в конце 19-го века Август Вейсман  предположил, что постулированная им "зародышевая плазма" должна составлять материал хромосом. В 1903 году немецкий биолог Теодор Бовери (Т. Boveri) и студент Колумбийского Университета Уильям Сэттон (W. Sutton), работавший в лаборатории американского цитолога Е.Б. Вильсона, независимо друг от друга предположили, что общеизвестное поведение хромосом во время созревания половых клеток, а также при оплодотворении, позволяет объяснить характер расщепления наследственных единиц, постулированный теорией Менделя, т.е. по их мнению гены должны быть в хромосомах.

В 1906 году английские генетики У Бэтсон и Р. Пэннет в опытах с душистым горошком обнаружили явление сцепления наследственных признаков, а другой английский генетик Л. Донкастер тоже в 1906 году в опытах с бабочкой крыжовенной пяденицей открыл сцепленное с полом наследование. На первый взгляд и те, и другие данные явно не укладывались в менделевские законы наследования. Однако это противоречие легко устраняется, если представить, что происходит сцепление генов с одной из хромосом.

С 1910 года начинаются эксперименты группы Томаса Ханта Моргана (Т.Н. Morgan). Вместе со своими учениками Альфредом Стертевантом
(
A. Sturtevant), Кальвином Бриджесом (С. Bridges) и Германом Меллером
(Н.
Muller), ставшими вместе с Морганом основоположниками генетики, он к середине 20-х годов сформулировал хромосомную теорию наследственности, согласно которой гены расположены в хромосомах "как бусы на нити". Ими был определен порядок расположения и даже расстояния между генами. Именно Морган ввел в генетические исследования в качестве объекта маленькую плодовую мушку дрозофилу (Drosophila melanogaster).

В 1929 году А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин, еще не зная, что такое ген, на основании результатов собственных исследований пришли к выводу о его делимости.

Новый этап развития генетики начался в 1930-1940-е годы: Дж. Бидл (J. Beadle) и Э. Тэйтум (Е. Tatum) сделали заключение о том, что всякий ген определяет синтез одного фермента. Они предложили формулу: "Один ген – один фермент", или позднее, после уточнения: "один ген – один белок", или "один ген – один полипептид".

В 1944 году в результате работ по трансформации у бактерий О. Эвери, К. МакЛеод и М. МакКарти (О.Т. Avery, СМ. MacLeod, M. McCarty) показали что трансформирующим агентом у пневмококков является ДНК, а следовательно, именно этот компонент хромосом и является носителем наследственной информации.

Примерно в это же время было показано, что инфекционным элементом вирусов служит их нуклеиновая кислота. 

В 1952 году – Дж. Ледерберг и М. Зиндер (J. Lederberg, M. Zinder) открыли явление трансдукции, т.е. переноса вирусами генов хозяина, показав тем самым роль ДНК в осуществлении наследственности.

Новый этап развития генетики начинается с момента расшифровки структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и (J.D. Watson, род. 1928, F. Crick, род. 1916), которые обобщили данные рентгеноструктурного анализа, полученные Моррисом Уилкинсом и Розалинд Франклин.

Этот этап развития генетики богат выдающимися открытиями, особенно крупное было связано с расшифровкой генетического кода (С. Очоа и М. Ниренберг в США, Ф. Крик в Англии). А в 1969 году в США Г. Хорана с сотрудниками синтезировали химическим путем первый ген.

Достаточность знаний о механизмах наследственности привела к развитию новой науки – генетической инженерии. С использованием генно-инженерных приемов из многих живых организмов выделяют и изучают гены, переносят гены из одних организмов в другие.

 В 1976 году была выделена и клонирована ДНК мобильных элементов генома (Г.П. Георгиев с сотрудникми в СССР, Д. Хогнесс (D. Hogness) с сотрудниками в США). С 1982 года, используя мобильные элементы генома в качестве вектора, содержащего тот или иной ген, начаты опыты по трансформации дрозофилы (Дж. Рубин, А. Спрадлинг, США).

Конец 1980-х - 1990-е годы характерны беспрецедентной активностью генетиков по расшифровке процессов развития, осуществляемого  под контролем генов (Е. Lewis, С. Nusslein-Volhard, E. Wieshaus, W. Gehring,
A. Garcia-Bellido, D. Hogness).

3. Вклад ученых в развитие  генетики

В СССР золотой век генетики начался вскоре после Октябрьской революции в 1917 году. В середине тридцатых годов, по мнению многих современных ученых, советская генетика несомненно стояла на втором месте в мире после США.

Наиболее крупной фигурой российской генетики был и надолго останется, Н.И. Вавилов, открывший параллельность наследственной изменчивости у растений (1922), и центры происхождения культурных растений (1927). Заслуги Вавилова еще при жизни были оценены современниками. Его имя было занесено на обложку основного в то время генетического журнала "Heredity" вместе с именами других крупнейших генетиков мира.

Н.К. Кольцов, глава московской школы генетиков, предложил в 1935 году гипотезу о матричном принципе репродукции гена и предложил идею, что все гены в хромосоме представляют одну гигантскую молекулу.

А.С.Серебровский и Н.П.Дубинин в 1929 году впервые продемонстрировали сложную организацию гена.

С.С. Четвериков  в 1926 г. заложил основы экспериментальной генетики популяций. А.С. Серебровский (1940) предложил уникальный биологический метод борьбы с вредителями сельского хозяйства.

Ю.А. Филипченко  за свою короткую жизнь сделал выдающийся вклад в генетику растений и домашних животных, Г.Д. Карпеченко  впервые получил межродовые гибриды растений.

Г.А. Левитский был выдающимся цитогенетиком.

Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов впервые в 1925 индуцировали мутации с помощью рентгеновских лучей.

Можно привести огромный список фамилий выдающихся ученых мирового уровня: Б.Л. Астауров, И.А. Раппопорт, А.А. Прокофьева-Бельговская, М.Л. Бельговский, П.Ф.Рокицкий, Н.В. Тимофеев-Ресовский, Ф.Г. Добжанский, Б. Эфрусси, М.Е. Лобашев, В.В. Сахаров. Многие выдающиеся зарубежные ученые работали в российских лабораториях того времени: У. Бэтсон, С. Харланд и К.Д. Дарлингтон из Англии, Э. Баур и Р. Гольдшмидт из Германии, К. Бриджес, Л. Дэнн и Г. Меллер из США,
Д. Костов из Болгарии.

Ситуация начала ухудшаться в конце 20-х годов, когда некоторые неоламаркисты стали активно защищать теорию наследования приобретенных в ходе жизни свойств организма. Эти неоламаркисты получили существенную помощь от группы философов-марксистов, таких как М.Б. Митин и П.Ф. Юдин, заявивших, что теория Ламарка соответствует основным постулатам диалектического материализма. Их оппоненты обвинялись в "идеализме", в том смысле, что они отрицают возможность влияния внешней среды на наследственность. Правительство сильно поддерживало ламаркистов, даже пригласило известного автрийского ламаркиста Пауля Камерера занять высокий пост в советской биологической науке. Многие генетики протестовали против данных П. Камерера (Н.К. Кольцов, А.С. Серебровский, Ю.А. Филипченко, М.Л. Левин, С.Г. Левит, С.С. Четвериков).

В свою очередь правительство критиковало этих ученых. В 1929 году, после самоубийства П. Камерера, узнавшего о разоблачении его научной подделки, С.С. Четвериков и его аспирант П.Ф. Рокицкий были арестованы. Четвериков был сослан на Урал, затем смог переехать во Владимир, потом в Горький, но в Москву путь ему был закрыт.

В середине 1930-х годов дискуссии вновь возобновились, но уже с участием быстро набирающего силу Т.Д. Лысенко. Т.Д. Лысенко базировался на следующих постулатах:

Он отрицал существование генов, объявляя их выдумкой буржуазных идеалистических ученых. Хромосомы, по его   мнению,   не   имели   никакого отношения к наследственности. Он отрицал законы Менделя, считая их "выдумкой католического монаха".

Лысенко безусловно принимал идею наследования приобретенных признаков и отрицал роль отбора в эволюции, который считал "ошибкой Дарвина".

Лысенко считал, что один вид внезапно, в результате скачка, может превратиться в другой, например, береза в ольху, овес – в пшеницу, кукушка – в пеночку.

Лысенко никогда не проверял свои идеи ни экспериментально, ни сравнивая с литературными данными. Он заявлял, что источником его знаний являются работы И.В. Мичурина и К. А. Тимирязева, а также "классиков марксизма". На основе этих "знаний" он предлагал рецепты быстрого улучшения сельского хозяйства в целом, быстрого выведения ценных сортов растений – в 2-3 года, в то время как методы, базирующиеся на основе законов Вейсмана-Менделя-Моргана, требуют 10-15 лет работы.

Сталин поддержал Лысенко. Началось его быстрое продвижение по карьерной лестнице: в 1934 – академик АН Украины, 1935 академик ВАСХНИЛ, в 1938 - президент этой Академии, 1939 - академик АН СССР. После ареста Вавилова, в 1940 году Лысенко стал директором института генетики АН СССР. С 1937 по 1966 год Лысенко – депутат Верховного Совета СССР и заместитель его председателя. Он лауреат государственной премии и не менее 8 раз кавалер ордена Ленина, в 1945 году стал Героем Социалистического Труда.

Правой рукой Лысенко был морально разложившийся тип –
И.И. Презент, бывший адвокат. Он давал "идеологически выверенные" объяснения биологических теорий Лысенко.

В конце 1936 и 1938 годах состоялись публичные дискуссии, организованные философом М.Б. Митиным – редактором журнала "Под знаменем марксизма". Сторону генетиков поддерживали будущий Нобелевский лауреат Г. Меллер, а также А.Р. Жебрак, Н.И. Вавилов и Н.П. Дубинин. Однако, уже на этом этапе научная сторона дискуссий не интересовала ни лысенковцев, ни поддерживавших их правителей СССР. Вскоре после последней дискуссии (в 1940 году) Вавилов был арестован и погиб в тюрьме гор. Саратова от истощения. Место его могилы неизвестно до сих пор.

В 1939 году злобная статья против Н.К. Кольцова появилась в "Правде". Затем была комиссия, включающая Лысенко, в возглавляемый
Н.К. Кольцовым Институт экспериментальной биологии (ныне Институт биологии развития РАН им. Н.К. Кольцова). На основании заключения комиссии Кольцов был снят с должности директора. Через несколько месяцев он умер от инфаркта миокарда. После ареста Вавилова пошла волна арестов среди других генетиков. В камерах пыток погибли Г.А. Левитский в возрасте 64 лет, Г.Д. Карпеченко в возрасте 43 лет, Г.К. Мейстер, другие генетики: Н.К. Беляев, С.Г. Левит, И. Агол, М. Левин.

Апофеозом могущества Лысенкостала печально знаменитая августовская
сессия ВАСХНИЛ 1948 года. Вся процедура этого заседания
была фарсом, специально подготовленным для расправы над генетикой. Заслуживают восхищения те из немногих генетиков, которые, зная, что это фарс, пошли и сказали свои последние слова в защиту генетики. Вот их имена: И.А. Рапопорт, М.М. Завадовский, СИ. Алиханян, И.А. Поляков, П.М. Жуковский, И.И. Шмальгаузен, А.Р. Жебрак,
B.C. Немчинов.

Часть из них не выдержала, и к концу сессии они сломались, отступили от генетики, видимо после того как Лысенко заявил, что тов. Сталин прочитал и полностью одобрил его доклад о разгроме генетики. Все они потеряли работу, кроме И.А. Рапопорта, которого, как героя войны, оставили в покое.

Сразу после августовской сессии ВАСХНИЛ 1948 года были составлены списки, по которым множество ученых-генетиков были уволены из вузов и академических институтов. Из журналов вырывали страницы, где были статьи генетиков, в статьях вымарывали слова "ген", "генетика", "хромосома". Множество ученых были отправлены в ссылки.

Некоторым ученым, например, Дубинину, Лобашеву, Прокофьевой-Бельговской удалось выстоять, не отказываясь от своих убеждений, благодаря смене научной специализации; Дубинин несколько лет работал орнитологом, Лобашев – физиологом, Прокофьева-Бельговская микробиологом. А З.С. Никоро – пианисткой в кинотеатре.

После смерти Сталина началось медленное восстановление генетики. Стали    появляться    разрозненные публикации с критикой Лысенко. Сначала авторами были химики и физики, затем к ним присоединились биологи (Сукачев, Любищев, Медведев, Кирпичников).

Решающий перелом наступил в 1957 году. М.Е. Лобашев начал читать генетику в Ленинградском университете, в Новосибирске в этом же году
М.А. Лаврентьев решил основать Институт цитологии и генетики в структуре Сибирского отделения АН СССР. В Киевском университете генетику начал читать П.К. Шкварников с 1958 года. И.В. Курчатов организовал в своем суперсекретном Институте атомной энергии радиобиологический отдел (ныне Институт молекулярной генетики РАН). Тем не менее, вплоть до 1965 года нельзя было негативно упоминать сессию ВАСХНИЛ 1948 года, о преподавании генетики в ЛГУ, о строительстве Института в Новосибирске, о подготовке Лобашевым первого послевоенного учебника по генетике. Все это делалось на полулегальном уровне.

Более того, возникла новая "гениальная социалистическая идея": неграмотная пенсионерка О.Б. Лепешинская заявила, что клетки возникают не путем митотического деления по принципу Р. Вирхова «cellula e cellula», а непосредственно из "живого вещества" – например из протухшего яичного желтка. Принцип же Вирхова был объявлен "выдумкой буржуазного идеалиста".  Лысенко с его шайкой поддержали Лепешинскую.

Другая "теория", поддержанная Лысенко, была предложена
Г.И. Бошьяном, полагавшим, что вирусы могут трансформироваться в бактерии и обратно.

Интересно сравнить то, что делалось в 1950-ые годы за рубежом и в России: расшифровка структуры ДНК и генетического кода там и средневековая охота на ведьм – тут. Как же получилось, что старушка-пенсионерка завладела "умами" "биологов" и правителей России? Не в последнюю очередь это и потому, что на стене Дома-на-набережной в Москве до сих пор висит мемориальная доска: "В этом доме жили ... и О.Б. Лепешинская - соратники В.И. Ленина".

По свидетельству одного из активных последователей Лысенко и Лепешинской, А.Н. Студитского, сделанному несколько лет назад, "Лысенко задержал развитие генетики на 40 лет".

Дополнительная инфорация

Московская школа генетики

В 1917 году по инициативе Н.К. Кольцова был организован Институт экспериментальной биологии, в котором были начаты иследования по генетике.

Вокруг Кольцова сплотились ученые, со временем ставшие
крупнейшими генетиками и цитологами: С.С. Четвериков, А.С. Серебровский, М.М. Завадовский, Г.И. Роскин, П.И. Живаго, С.Л. Фролова,
С.Н. Скадовский, Г.В. Эпштейн. Созданию школы Н.К. Кольцова во
многом способствовало то, что он был профессором Московского университета, и это позволило ему широко привлечь в науку талантливую
молодежь. Н.К. Кольцов также заведовал генетическим отделом
Комиссии по изучению естественных производительных сил (КЕПС)
Академии наук. Деятельность этого отдела была связана со многими
работами по генетике сельскохозяйственных животных.
Кольцов и его сотрудники - А.С.Серебровский, Б.Н. Васин, Я.Л.Глембоцкий впервые в СССР начали систематические работы по генетике животных. С 1924 года
С.С. Четвериков начал читать в МГУ самостоятельный курс генетики. Исключительно важное значение для последующего развития генетики имела работа С.С. Четверикова "О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики" (1926). В  плане  разработки  высказанной концепции под руководством С.С. Четверикова был проведен цикл работ по экспериментальной проверке насыщенности мутациями природных популяций дрозофилы. В этой работе приняли участие Б.Л. Астауров, Н.К. Беляев, С.М. Гершензон, П.Ф. Рокицкий, Д.Д. Ромашов.

Используя рентгеновские лучи для индукции мутаций, были проведены исследования ступенчатого аллелизма гена scute (Н.П. Дубинин, А.С. Серебровский, И.И. Агол, С.Г. Левит, Б.Н. Сидоров, Л.В. Ферри, А.Е. Гайсинович, Н.И. Шапиро).

В 1932 г. в Институте Н.К. Кольцова была организована лаборатория цитогенетики. Здесь были проведены исследования только что открытого феномена - эффекта положения гена (в современной литературе этот феномен позднее получил название "эффекта Дубинина"). В работах приняли участие выдающиеся генетики Б.Н. Сидоров и В.В. Хвостова.

Проведены ювелирные эксперименты по направленному изменению числа и структуры хромосом (Н.П. Дубинин, Н.Н. Соколов, И.Е. Трофимов,
Б.Ф. Кожевников), в частности, удалось превратить четыреххромосомный вид дрозофил в трех- и пятихромосомную расу. Были обоснованы принципы хромосомной изменчивости в популяциях (Н.П. Дубинин, Н.Н. Соколов,
Г.Г. Тиняков).

В 1932 году в Москве был создан Медико-генетический       институт, которым в течение ряда лет руководил С.Г. Левит. Трудами самого Левита, а также
С.Н. Ардашникова, Р.П. Мартыновой и др. были заложены основы важнейших направлений медицинской генетики.

Кафедрой генетики в МГУ с 1930 по 1946 гг. руководил А.С. Серебровский. На кафедре работали СИ. Алиханян, Р.Б. Хесин-Лурье, Н.И. Шапиро.

Кафедра генетики Санкт-Петербургского Университета

Особое место в развитии российской генетики занимает первая в России кафедра генетики Санкт-Петербургского (Ленинградского) университета.

"13 сентября 1913 года ректор Санкт-Петербургского университета
проф. Э.Д. Гримм официально объявил студентам, профессорам и преподавателям естественного отделения, что в среду 18 сентября от 2 до 3 ч пополудни приват-доцент Юрий Александрович Филипченко прочтет вступительную лекцию к впервые введенному в университете России курсу "Учение о наследственности и эволюции". Так начиналась генетика в России. Вскоре Филипченко издает первые учебники "Изменчивость и  эволюция" (1915)  и "Наследственность" (1917), а в 1919 году он основал кафедру генетики, которой руководил до конца жизни. История кафедры с 1931 по 1942 год связана с именами выдающихся генетиков: Н.И. Вавилова, Г.Д.Карпеченко, Г.А.Левитского, Л.И.Говорова, погибших в результате репрессий 30-х годов. Среди довоенных выпускников и сотрудников кафедры можно назвать огромный список блестящих имен:
Ф.Г. Добжанский, А.А.Прокофьева-Бельговская, Н.Н. Медведев, Ю.Я. Керкис, Н.Н.Колесник, М.Л. Бельговский, М.Е. Лобашев, Ю.Л. Горощенко, Т.К. Лепин, Я.Я.
 Лус, А.И.Зуйтин, И.А. Рапопорт, Р.Л. Берг, Ф.А. Смирнов.

Новый этап в развитии кафедры, а вместе с ней и генетики в СССР начался в 1957 году и связан с именем нового заведующего – Михаила Ефимовича Лобашева (1907-1971). Он издал учебник (1963, 1967) и начал подготовку нового поколения генетиков. Из выпускников кафедры выросли многие доктора наук и профессора, имеющие огромную международную известность: И.А. Захаров, А.Л. Юдин, И.М. Суриков, Н.Ф. Батыгин, К.В. Квитко, С.Г. Инге-Вечтомов, Е.С. Беляева, Л.З. Кайданов, В.Г. Смирнов, Л.А. Чубарева и другие.

4. Вклад белорусских ученых в развитие  генетики

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., Академии наук Белорусской ССР ).

Учеными известных далеко за пределами Беларуси 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, 70 овощных, 124 плодовых и 30 сортов ягодных культур. Под руководством и при непосредсвенном участии академика П.И. Альсмика выведены такие прекрасные сорта картофеля как Темп, Лошицкий, Разваристый, Академический, Огонек, Ласунок и другие. В последние годы в республике районировано 12 сортов картофеля с потенциальной урожайностью 500-700 ц/га, устойчивых к болезням и вредителям, с высокими дегустационными качествами, пригодных для переработки на пищевые полуфабрикаты.

А.Г.Волузнев вывел 23 сорта ягодных культур. Наиболее распространенные сорта черной смородины – Белорусская сладкая, Кантата, Минай Шмырев, Памяти вавилова, Церера, Катюша, Купалинка; красной смородины – Ненаглядная; крыжовника – Яровой, Щедрый; земляники – Минская, Чайка.

В «Институте плодоводства» выведено 24 сорта яблони (Антей, Белорусское малиновое, Банановое и другие), 8 сортов груши (Белоруска, Маслянистая, Лошицкая и другие),15 сортов черешни (Золотая Лошицкая, Красавица) и многие другие.

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.

В последнее десятилетие районированы сорта овощных культур белорусской селекции: томаты открытого грунта – Перамога, Превосходный, Доходный, Ружа, Неман; томаты для пленочных теплиц – Вежа; огурцы – Должик, Верасень, Зарница; капуста – Русиновка, Юбилейная; лук – Янтарный, ветразь; чеснок – Полет и другие.

Кроме того, белорусскими селекционерами выведено и районировано множество сортов зерновых и зернобобовых, технических и кормовых растений.

В Белорусском научно-исследовательском институте земледелия и кормопроизводства (г.Жодино) Н.Д.Мухиным выведен и впервые внедрен в производство тетроплоидный сорт озимой ржи Белта. Он автор и соавтор сортов озимой ржи Белорусская 23, Дружба, яровой пшеницы Минская, гречихи Искра и Юбилейная 2 и другие. Высокими необходимыми качествами обладают сорта озимой пшеницы Березина, Надзея; сорта ярового ячменя Зазерский 85 и Жодинский 5; сорт люпина желтого Нарочанский.

Наиболее известные сорта сахарной свеклы Белорусская односемянная, Гибрид ганусовский-8, Ганусовская односемянная-55, полигибрид Белорусский-31. Последний выведен в Институте генетики и цитологии НАНБ. Все эти успехи стали возможны благодаря применению новых методов селекционной работы, основанных на современных достижениях других наук.

 Основными направлениями  работы в настоящее время исследований являются:

  •  Изучение генетических процессов регуляции жизнедеятельности растений и животных с целью управления их продуктивностью, качеством, устойчивостью.
  •  Изучение структурно-функциональной организации и изменчивости геномов, генно-инженерные и клеточные технологии, биобезопасность.
  •  Изучение генетических проблем устойчивости и изменчивости организмов в условиях техногенного загрязнения среды.

 

Основные научные и практические достижения:

Исследовательские гранты

Гранты ЮНЕСКО, НАТО, ИНТАС, ИНКО-КОПЕРНИКУС, Фонда Макартуров, Международного научного фонда, Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований.

Продукция и услуги:

  •  анализ пищевого сырья и продуктов питания на ГМО
  •  ДНК-паспортизация сортов сельскохозяйственных культур
  •  ДНК-маркирование сельскохозяйственных растений и животных по хозяйственно-полезным признакам
  •  ДНК-диагностика наследственных заболеваний человека
  •  ДНК-идентификация диких животных и микроорганизмов
  •  разработка и экспертиза нормативно-правовой базы в области биобезопасности
  •  проведение семинаров и консультации по вопросам безопасности генно-инженерной деятельности.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
    Л. С. Чернин.
     – М.: Высш. шк., 1985.
  3.  Гайсинович, А. Е. Зарождение и развитие генетики /
    А.Е. Гайсинович. – М.: Наука. 1988.
  4.  Лобашев, М. Е. Генетика / М. Е. Лобашев. –  Л., 1967.


МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Лекция 3

Клетка как основа наследственности и воспроизведения 

Цель лекции: обобщить знания учащихся клеточных и неклеточных формах организации живого, изучить особенности структурной модели ДНК, ознакомить со строением хромосом вирусов, клеточных органелл, и прокариот.

План лекции:

  1.  Клеточные и неклеточные формы организации живого: эукариоты, прокариоты, вирусы.
  2.  Нуклеиновые кислоты. Структурная модель ДНК  Дж. Уотсона и
    Ф. Крика.

  1.  Клеточные и неклеточные формы организации живого: эукариоты, прокариоты, вирусы

Цитогенетика – это раздел генетики являющийся основополагающим для понимания закономерностей наследственности и изменчивости и требует вспомнить знания биологических предметов (ботаники, зоологии и др.).

Цитогенетика – это раздел генетики, изучающий закономерности наследственности и изменчивости  на клеточном и молекулярном уровне.

Индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного организма с различными специализированными тканями и органами – это результат последовательного, избирательного включения в активное состояние разных генных участков хромосом в различных клетках. Таким образом, любая клетка многоклеточного организма тотипотентна, то есть обладает одинаковым полным фондом генетического материала, всеми возможными потенциями для проявления его свойств. Но вследствие дифференцировки как результата избирательной (дифференцированной) активности разных генов в клетках по мере развития многоклеточного организма, одни и те же гены в разных клетках могут находиться либо в активном, либо в репрессивном состоянии. То есть в процессе онтогенеза происходит специализация клеток и тканей. При этом у животных организмов такая специализация часто необратима, а у растений даже из отдельных клеток можно получить нормальные растения (вегетативное размножение).

У живых организмов существует два типа организации клеток: прокариотическая (доядерная), такая, как у бактерий и сине-зеленых водорослей, которые обычно делятся бинарным образом, то есть простой перегородкой без участия специальных аппаратов деления; и эукариотическая (собственно ядерная), у которых клеточное ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой, и нормальным полноценным способом деления является митоз, при котором происходит образование специального аппарата клеточного деления – веретена. Благодаря веретену деления равномерно и точно по двум дочерним клеткам распределяются после деления центромеры 2 хроматиды одной хромосомы, и, таким образом, сохраняется постоянство числа хромосом (2n) и идентичность генетического материала.

Неклеточной формой являются вирусы, которые состоят из капсида – защитной белковой оболочки и генетического материала. В качестве наследственного материала вирусы могут содержать 2 вида нуклеиновых кислот и поэтому вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие.

  1.  Нуклеиновые кислоты. Структурная модель ДНК
    Дж. Уотсона и Ф. Крика.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах. В 1928 г. Ф.Гриффит обнаружил у пневмококков явление трансформации (преобразование свойств бактерий). Он показал, что клетки невирулентных штаммов бактерий  (шероховатые без капсул) приобретают свойства вирулентных (гладких с капсулами) штаммов,  убитых нагреванием. Природа трансформирующего агента была установлена Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти в 1944 г., им оказалась ДНК. Так открытие и изучение трансформации доказало роль ДНК как материального носителя наследственной информации.

Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в апрельском журнале Nature в 1953 г. Дж.Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной биологии, изучающей основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне.

 Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из азотистого основания пуринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового: цитозин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы (пятиугольное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (НРО3). Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и расположены с интервалом 34 нм. Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360 градусов, следовательно, каждая пара оснований повернута  на 36 градусов вокруг спирали относительно следующей пары. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

В разработке модели ДНК важную роль сыграли наблюдения Чаргаффа (1949) о том, что количественные отношения гаунина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержанию Тимина. Это положение было названо «правило Чаргаффа»:

А=Т;  Г=Ц  или А+Г/Ц+Т=1,

т.е. пропорция  пуриновых и пиримидиновых оснований всегда равная.

Чаргаффом для характеристики нуклеотидного состава ДНК был предложен коэффициент специфичности, учитывающий долю гуанин-цитозиновых пар:

Г+Ц/А+Т  или (Г+Ц/А+Т+Г+Ц) Х 100%.

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5` положения одного пентозного конца и 3` положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5`- 3` связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5` конца к 3` концу – такая нить называется смысловой ДНК, здесь расположены гены. Вторая нить направления 3`-5` считается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в процессах репликации и репарации (восстановление структуры поврежденной ДНК). Основания в антипараллельных нитях образуют за счет водородных связей коплементарные пары: А+Т; Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет последовательность нуклеотидов другой нити. Следовательно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны. Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции.

В настоящее  время описаны несколько модификаций молекулы ДНК.

Полиморфизм ДНК – это способность молекулы принимать различные конфигурации. В настоящее время описано 6 форм, часть которых может существовать только in vitro (в пробирке):

В-форма – имеет стандартную структуру, практически соответствующую модели ДНК, которая была предложена Уотсоном, Криком и Уилкинсом, в физиологических условиях (низкая  концентрация солей, высокая степень гидратации) является доминирующим структурным типом.

А-форма – обнаружена в более обезвоженных средах и при более высоком содержании ионов калия и натрия. Интересна с биологической точки зрения, т.к. ее информация близка к структуре двухцепочечных ДНК,  или для ДНК-РНК дуплексов.

С-форма – имеет меньше форм оснований на виток, чем В-форма. В этих трех формах могут находиться все ДНК независимо от нуклеотидной последовательности.  Следующие  формы характерны только для молекул ДНК с определенными последовательностями в парах оснований.

D и Е-форма – возможны крайние варианты одной и той же формы, имеют  наименьшее число пар оснований на виток. Обнаружены только в молекулах ДНК, не содержащих гуанина.

Z-форма – это зигзагообразная форма, с чередованием лево- и правоспиральности. Эта форма выявляется при наличии  ряда факторов: высокая концентрация солей и наличие специфических катионов; высокое содержание отрицательных супервитков в молекуле ДНК и других Z-ДНК встречается на участках, обогащенных парами Г-Ц. Показано, что Z-форма ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов как близко расположенных, так и существенно удаленных от Z-участков, а также играть существенную роль в процессах рекомбинации.

Шотландский ученый Арнотт предположил: «Было бы удивительно, если бы в живой природе никак не использовалась эта способность ДНК – менять свою форму».

Некоторые из форм могут при определенных условиях, связанных с изменениями концентрации солей и степени гидратации, переходить друг в друга, например, А – В; а также Z – В. Предполагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов. Показательно, что в ДНК человека имеются участки, потенциально способные переходить в Z-форму. Предполагается, что в клетках человека существуют условия, стабилизирующие Z-форму (Марри и др., 1993).

Знание структуры и функции ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матрицы при синтезе белков из аминокислот, т.к. почти вся  она находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как большинство, если не все, клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, должна передаваться какой-то промежуточной молекуле, которая транспортировалась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе  полипептидных цепей. Предположение о том, что такой промежуточной молекулой может быть РНК, стало всерьез рассматриваться  сразу, как только была открыта структура двойной спирали ДНК. Во-первых, клетки, синтезирующие большое количество белка, содержали много РНК. Во-вторых, еще более важным казалось то, что сахарофосфатные «скелеты» ДНК и РНК чрезвычайно сходны (строение РНК) и было бы легко представить себе,  как происходит синтез одиночных цепей РНК на одноцепочечной ДНК с образованием нестабильных гибридных молекул, одна цепь которых представлена ДНК, а другая РНК. Взаимоотношения ДНК, РНК и белка в 1953г. были представлены в виде следующей схемы:

                                транскрипция                         трансляция

репликация ДНК  ----------------------РНК --------------------- белок, где
где одиночные цепи ДНК служат матрицами при синтезе комплементарных молекул ДНК (репликация). В свою очередь, молекулы РНК служат матрицами для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных цепей белков в процессе трансляции, названном так потому, что «текст», написанный на «языке» нуклеотидов, переводится (транслируется) на «язык» аминокислот.
Группа  нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном.

На последних этапах, предшествующих делению клетки, ядерный материал (хроматин) претерпевает определенные физико-химические изменения, приводящие к конденсации нитеобразных структур ядра. Эти образования немецкий морфолог В.Вальдейер (1888) предложил назвать хромосомами, поскольку они интенсивно окрашивались некоторыми красителями. 

Хромосомы – это нуклеопротеиновые тела, в которых хранится, передается потомству и реализуется наследственная информация. По иронии судьбы сначала были открыты ядерные структуры, которые в течение многих последующих лет никто не считал хромосомами. В 1881 году Э. Бальбиани описал в клетках слюнных желез хирономуса поперечно-исчерченные ленты. Их назвали "структурами Бальбиани". Только в 1912 году чешский ученый Ф. Рамбоусек предположил, что это специализированные хромосомы. А окончательно это название утвердилось в 1930-1935 гг. (D. Kostoff, T. Painter, H. Midler).

Хромосомы, как "окрашивающиеся тела" были открыты в митотически и мейотически делящихся клетках классиками цитологии Флеммингом и Страсбургером (W. Flemming, 1882; Е. Strasburger, 1884).

Для каждого вида растений и животных характерны свое число и свои морфологические особенности хромосомного набора, т. е. определенный кариотип. В норме все хромосомы клеток организма эукариот парны, т. е. каждая хромосома имеет своего аналогичного по размеру, форме и особенностям расположения генов гомолога, и составляют двойной (2n), или диплоидный, набор. Только зрелые половые клетки содержат одинарный (1n), или гаплоидный, набор хромосом (от греч. haplous — одинарный).

Точное число и структуру отдельных хромосом можно оценить в делящихся клетках на стадии метафазы, когда хромосомы наиболее утолщены и укорочены.

В настоящее время наиболее известны три типа хромосом: а.У прокариот в нуклеоиде и в клеточных органеллах у эукариот. б.Хромосомы из делящихся клеток эукариот. в.Интерфазные хромосомы эукариот.

Литература

Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.

Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
Л. С. Чернин.
 – М.: Высш. шк., 1985.

МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Лекция 4

Особенности наследственных структур у эукариот

Цель лекции: ознакомить учащихся с особенностями наследственных структур у эукариот, сформировать понятия о наднуклеосомной укладке ДНК, хромомерной организации хромосом, изучить строение митотической хромосомы, сформировать у учащихся понятия кариотип и идиограмма.

 

План лекции:

1. Особенности наследственных структур у эукариот.

2. Наднуклеосомная укладка ДНК.

3. Хромомерная организация хромосом.

4.  Митотические хромосомы.

5. Кариотип и идиограмма.

1. Особенности наследственных структур у эукариот

В клетках не бывает чистой ДНК. На всех этапах клеточного цикла молекулы ДНК в той или иной степени упакованы в нуклеопротеиновые структуры. При этом, при формировании митотической хромосомы, ДНК эукариотической клетки упаковывается в несколько тысяч раз "с такой точностью, что в каждом клеточном цикле воспроизводятся размеры хромосом, отношения плеч, особенности продольной дифференциации, подразделение на эу- и гетерохроматин, а также полосы, возникающие при дифференциальном окрашивании". Несомненно, что в основе этой точности лежит какой-то удивительный по надежности механизм компактизации.

Хроматин имеет компактную упаковку, в которой ДНК функционально неактивна. Фундаментальная субъединица хроматина – нуклеосома – имеет один и тот же тип организации у всех эукариот. Нити нуклеосом находят в ядрах, обработанных растворами низкой ионной силы. Каждая нуклеосома содержит примерно 200 п.н. ДНК, связанной с октамерной частицей, состоящей из белков-гистонов. Это сердцевинные гистоны (рис. 1.).

Рис. 1. Структура нуклеосомы (а) и взаимодействие гистона HI и нуклеосом.

Нуклеосома выглядит в виде цилиндра, вокруг которого ДНК делает два оборота (рис. 2.).

Участок ДНК между двумя нуклеосомами называется линкером. ДНК длиной 146 п.н. обматывается вокруг октамера, еще около 50 п.н. приходится на линкер.

Более 90% ДНК в клетке присутствует в составе нуклеосом. После упаковки ДНК в нуклеосомные структуры она укорачивается в 6 раз.

Когда изучают ультраструктуру хроматина под электронным микроскопом, обычно находят два типа нуклеопротеиновых нитей: 10 нм и 30 нм в диаметре. Первая представляет собой нить из нуклеосом, расположенных друг за другом. Нить диаметром 30 нм представляет собой спираль, свернутую из нити диаметром 10 нм. В каждом витке спирали находятся 6 нуклеосом (рис. 3).

Рис. 2. Схема расположения ДНК на белковой сердцевине

Рис. 3. Структура нити хроматина диаметром 30 нм

В фибрилле диаметром 30 нм коэффициент упаковки ДНК составляет примерно 36-40, т.е. каждый микрометр вдоль оси этой нити содержит 40 мкм ДНК.

В некоторых генах, например, в блоках генов рибосомной 18 и 28 S РНК, нуклеосомная укладка исчезает полностью.

2. Наднуклеосомная укладка ДНК

Процесс компактизации ДНК, приводящий в конце концов к построению плотного тела митотической хромосомы, проходит через несколько структурных уровней.

  •  Первый уровень – нуклеосомный -  обеспечивает сверхскручивание ДНК по поверхности гистоновой сердцевины.
  •  Второй – нуклеомерный (сверхбусина), где идёт объединение 6 нуклеосом в виде глобулы. Так как все эти уровни компактизации происходят на огромных линейных молекулах ДНК, то ряд сближенных нуклеомеров и образует 30-нанометровую фибриллу ДНП.
  •  Третий уровень - хромомерный: петли фибрилл ДНП, объединённые скрепками из негистоновых белков, образуют компактные тела (0,1 - 0,2 мкм), которые при искусственной деконденсации дадут розетковидные структуры. Расположение петлевых доменов, хромомеров, может быть неравномерным: участки тела митотической хромосомы, обогащенные ими, могут соответствовать полосам при дифференциальной окраске хромосомы.
  •  Четвёртый уровень – хромонемный: сближенные   в   линейном   порядке хромомеры образуют толстые (0,1 – 0,2 мкм) нити, которые можно уже наблюдать и в световом микроскопе. Характер упаковки этой нити в теле хроматиды ещё недостаточно выяснен: возможна спиральная укладка хромонемы, но не исключено образование ею и ещё одного уровня петлевых структур. Конечно, такая общая схема организации митотических хромосом очень неполно отражает особенности строения их специализированных участков, таких как ядрышковый организатор, теломеры и центомеры.

В заключение этого обзора можно прийти к выводу, что при изучении
ультраструктуры хромосом исследователи сталкиваются с парадоксальной ситуацией:
чем ближе мы подходим к высшим структурным уровням организации митотических хромосом, тем меньшей по объёму и более низкой по надёжности становится информация об этой важнейшей клеточной структуре. 

Большим шагом в моделировании структуры метафазной хромосомы оказалось изучение структуры хроматина после удаления гистонов из хромосом обработкой 2М NAC1. В таких случаях удаляются все гистоны и большая часть негистоновых белков. После этой обработки на месте метафазной хромосомы остается остов (scaffold) из негистоновых белков, из которого выходят и распределяются петлеобразные нити ДНК длиной 10-30нм (рис. 4).

Центральный скаффолд сохраняет очертания метафазной хромосомы, даже после полного переваривания ДНК нуклеазами. Петли, выходящие из скаффолда, часто называют "петлевыми доменами".

Если обработать ДНКазой препараты хромосом с петлями, то можно получить белковые остовы и анализировать их состав. Оказалось, что в них присутствует около 20 видов белков негистоновой природы, сходных с белками интерфазного ядерного матрикса. Действительно, в теле хромосомы есть негистоновые белковые скрепки, сшивающие основания боковых петель ДНК, но эти связки разбросаны рыхло по объему хромосомы.

Скаффолды формируются только в экспериментальных    условиях    и реальное существование их в нативных хромосомах не продемонстрировано.

Рис. 4. Латеральные петли ДНК (1) и осевые компоненты - скаффолд (2) метафазной хромосомы после полного удаления гистонов

3. Хромомерная организация хромосом

В конце 19-го века ряд исследователей (E.G. Balbiani, W. Pfitzner, W. Flemming) (см. Вильсон, 1936) нашли, что хромосомная нить на стадии профазы митоза содержит ряд небольших сильно окрашивающихся телец или хромомеров, различающихся по размерам и форме. В профазе мейоза рисунок хромомеров в гомологичных хромосомах полностью симметричен.

"Каждое хроматиновое зернышко одной нити имеет двойника в другой и  нет хотя бы малейшей особенности одной нити, которая не повторялась быв точности у ее спутника" (Вильсон, 1936). Различаясь между собой по величине, форме, содержанию ДНК и положению в хромосоме, хромомеры обладают отчетливо выраженной индивидуальностью и придают хромосомным нитям и отдельным их участкам постоянный и определенный рисунок, строго фиксированный наследственно (Прокофьева-Бельговская, Богданов, 1963).

Только в профазе митоза и мейоза (лептотена и пахитена) хромосомы имеют хромомерную организацию у всех эукариот, на других стадиях клеточного цикла хромомеры встречаются довольно редко. Идеи о том, что хромомеры (или гранулярность хромосомной нити) существуют и в интерфазных ядрах, в которых индивидуальные хромосомы не опознаются, развивал еще В. Флеминг в 1882 г.

Наиболее выраженные хромомеры встречаются в политенных хромосомах и хромосомах типа "ламповых щеток". От хромомеров отходят боковые петли, в результате чего хромосома выглядит как ершик для чистки керосиновых ламп, поэтому их и называют "хромосомами типа ламповых щеток" - lampbrash chromosomes.

У. Дюрие в 1941 году описал хромомеры в хромосомах типа "ламповых щеток", которые находят в первичных ооцитах (профаза, по-видимому,      диплотена)      многих позвоночных и некоторых беспозвоночных

Два свойства являются общими для хромомеров различных типов: во-первых, все они представляют собой отрезки компактизованной ДНК, во-вторых, число и рисунок хромомеров у данного организма постоянны на данной стадии клеточного цикла.

Таким образом, завершая общее рассмотрение понятия хромомера, можно подчеркнуть, что это фрагменты хромосом, способные к локальной компактизации. Длина фрагмента ДНК, входящего в состав хромомера, различна на разных этапах процесса компактизации хромосом в ходе клеточного цикла. Поэтому есть все основания считать, что хромомер не является постоянной структурной единицей организации генома, и для каждого этапа онтогенеза существуют свои наборы хромомеров. Поэтому все известные типы хромомеров можно разделить, по крайней мере, на четыре группы: а) лептотенные, б) пахитенные, в) хромосом типа "ламповых щеток", г) хромомеры интерфазных политенных хромосом.

4.  Митотические хромосомы

Еще в 1882 году Сграсбургером было обнаружено у одного из исследованных им растений, а именно Funkia sieboldiana, что хромосомы одной и той же ядерной пластинки весьма резко отличаются по своей величине. Аналогичные отношения были констатированы впоследствии для целого ряда растений и животных. Несколько позже, Мюллер (Cl. Muller, 1912) посвятил целое исследование, специально посвященное различиям в размерах хромосом. Указанные различия являлись не простым варьированием, а характеризовали собой определенные типы более крупных и мелких хромосом, точно повторявшиеся в различных ядерных пластинках одного и того же вида. Каждый тип был представлен в соматических клетках парой одинаковых элементов, очевидно отцовского и материнского происхождения. Такого рода данные представляли - рядом с постоянством числа хромосом - наглядную иллюстрацию индивидуальности хромосом, понимаемой в смысле определенных, характерных для каждой пары особенностей.

Точным установлением факта, что хромосомам присущи, помимо их абсолютной и относительной величины, еще и особые постоянные и характерные различия в построении их тела, наука обязана трудам Сергея Гавриловича Навашина(1910-1914).

Уже в ранних работах Навашин выделяет три типа хромосом: a) U-образные, почти равноплечие, б) U-образные, явственно неравноплечие, в) крючковидные, один членик которых настолько короток, что может даже ускользнуть от наблюдения (Навашин, 1911).

В 1912 году на заседании физико-математического отдела Академии наук состоялось знаменитое сообщение С.Г. Навашина, где он установил у неоднократно до того подвергавшегося исследованию обьекта Galtonia candicans наличие особых мельчайших, но вполне постоянных придатков, присоединенных при помощи "ниточки" к двум "средним" хромосомам. Придатки эти были названы С.Г. Навашиным "спутниками" (satelles - лат). Тельца эти при делении ядра расщепляются вместе с остальным телом хромосомы. Таким образом, впервые была показана возможность идентификации хромосом по особенностям их строения.

В 1914 году С.Г. Навашин установил, что в участке прикрепления нитей веретена образуется перетяжка материала хромосомы и эта перетяжка расположена в характерных местах в трех  ранее установленных типах хромосом.

Из-за того, что данные Навашина были опубликованы на русском языке, к тому же в специальных изданиях, а также из-за последовавших вскоре политических пертурбаций, его работа осталась совершенно неизвестной за границей. Факты, установленные Навашиным, постепенно открывались иностранными учеными вторично, например, много позже Ньютоном и Тейлором. (Newton, 1924; Taylor, 1924). Оба они, как мы видим, с большим отставанием открыли спутники и перетяжки хромосом в месте прикрепления нитей веретена. (строение хромосомы)

Фактически в соответствии с классификацией Навашина, выделяют
4 типа хромосом в зависимости от положения центромеры и определяемой этим положением относительной длины плеч, т.е. частей хромосомы по обе стороны от центромеры.

По мнению многих ученых любая хромосома имеет два плеча, т.е. телоцентрической хромосомы в природе не существует. У телоцентрических хромосом во всех случаях обнаружено наличие второго, пусть очень короткого плеча.

5. Кариотип и идиограмма

Индивидуальные хромосомы составляют кариотип – хромосомный комплекс вида со всеми его особенностями: числом хромосом, их морфологией, наличием видимых под световым микроскопом деталей строения отдельных хромосом, перетяжек, спутников, соотношением длин плеч, чередованием эу - и гетерохроматина. Группируя хромосомы попарно и располагая хромосомы в порядке уменьшения их длины, можно построить идиограмму – диаграмматический рисунок кариотипа.

Диплоидные числа хромосом варьируют в очень широких пределах от 2-х до 1600. Как кариотип, так и идиограмма позволяют морфологически характеризовать каждую хромосому, но очень часто не дают озможность получить четкую характеристику, позволяющую идентифицировать отдельные      хромосомы.      Такую возможность дают методы дифференциальных окрасок хромосом.

В 1968 г. Т. Caspersson предложил метод окрашивания хромосом квинакрином (или акрихином) с последующим облучением их ультрафиолетом и индукцией флуоресценции. Оказалось, что в разных районах хромосом выявляется разное число сайтов связывания красителя. Сайты к тому же сильно варьировали      по      размерам и интенсивности свечения. Наборы флуоресцирующих полос создавали индивидуальность не только целых хромосом, но даже их плеч. В результате каждую хромосому оказалось возможным идентифицировать. Однако, как выяснилось число полос и их интенсивность варьировали в работах разных исследователей.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.
  3.  Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
  4.  Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
    В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.


МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Лекция 5

Деление клетки  и воспроизведение

Цель лекции: ознакомить учащихся с основными этапами клеточного цикла, изучить непрямое деление клетки, амитоз, эндомитоз, мейоз, их особенности и биологическое значение, познакомить учащихся с основными этапами гаметогенеза.

План лекции:

Клеточный цикл.

Непрямое деление клетки. Амитоз. Эндомитоз

Мейоз и его значение

4. Краткий обзор этапов гаметогенеза.

1.Клеточный цикл

Клетки многоклеточного организма чрезвычайно разнообразны по выполняемым функциям. В соответствии со специализацией клетки имеют разную продолжительность жизни. Так нервные клетки после завершения эмбриогенеза перестают делиться и функционируют на протяжении всей жизни организма. Клетки же других тканей (костного мозга, эпидермиса, эпителия тонкого кишечника) в процессе выполнения своей функции быстро погибают и замещаются новыми в результате клеточного деления. Деление клеток лежит в основе развития, роста и размножения организмов. Деление клеток также обеспечивает самообновление тканей на протяжении жизни организма и восстановление их целостности после повреждения. Существует два способа деления соматических клеток: амитоз и митоз. Преимущественно распространено непрямое деление клеток (митоз). Размножение с помощью митоза называют бесполым размножением, вегетативным размножением или клонированием.

 Жизненный цикл клетки (клеточный цикл) – это существование клетки от деления до следующего деления или смерти. Продолжительность клеточного цикла в размножающихся клетках составляет 10-50 ч и зависит от типа клеток, их возраста,  гормонального баланса организма, температуры и других факторов. Детали клеточного цикла варьируют среди разных организмов. У одноклеточных организмов жизненный цикл совпадает с жизнью особи. В непрерывно размножающихся тканевых клетках клеточный цикл совпадает с митотическим циклом.

 Митотический цикл – совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению и период деления (рис 1). В соответствие с приведенным выше определением митотический цикл подразделяют на интерфазу и митоз (греч. “митос” - нить). 

 Интерфаза – период между двумя делениями клетки – подразделяется на фазы G1, S и G2 (ниже указана их продолжительность, типичная для растительных и животных клеток.). По продолжительности интерфаза составляет большую часть митотического цикла клетки. Наиболее вариабельны по времени G1 и G2-периоды.

 G1 (от англ. grow – расти, увеличиваться). Продолжительность фазы составляет 4–8 ч. Это фаза начинается сразу после образования клетки. В этой фазе в клетке усиленно синтезируются РНК и белки, повышается активность ферментов, участвующих в синтезе ДНК. Если клетка в дальнейшем не делится, то переходит в фазу G0 – период покоя. С учетом периода покоя клеточный цикл может длиться недели или даже месяцы (клетки печени).

 S (от англ. synthesis - синтез). Длительность фазы составляет 6–9 ч. Масса клетки продолжает увеличиваться, и происходит удвоение хромосомной ДНК. Две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для синтеза новых цепей ДНК. В результате каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Тем не менее хромосомы остаются одинарными по структуре, хотя и удвоенными по массе, так как две копии каждой хромосомы (хроматиды) все еще соединены друг с другом по всей длине. После завершения фазы S митотического цикла  клетка не сразу начинает делиться.

 G2.В этой фазе в клетке завершается процесс подготовки к митозу: накапливается АТФ, синтезируются белки ахроматинового веретена, удваиваются центриоли. Масса клетки продолжает увеличиваться до тех пор, пока она приблизительно вдвое не превысит начальную, а затем наступает митоз.

Жизнь клетки и переход от одной фазы клеточного цикла к другой регулируется изменением концентраций белков циклинов, как это показано на рисунке. Толщина цветных секторов соответствует концентрации циклинов.

При подготовке к делению происходит репликация ДНК, на каждой хромосоме синтезируется ее копия. Пока эти хромосомы после удвоения не расходятся,  каждая хромосома в этой паре называется хроматидой. После репликации ДНК конденсируется, хромосомы приобретают более компактную укладку, и в таком состоянии их можно увидеть в световом микроскопе. Между делениями эти хромосомы не столь конденсированы и в большей степени расплетены. Понятно, что в конденсированном состоянии им трудно функционировать. Хромосома имеет вид в виде буквы Х только во время одной из стадий митоза. Раньше считалось, что между делениями клетки хромосомная ДНК (хроматин) находится в полностью расплетенном состоянии, но сейчас выясняется, что структура хромосом достаточно сложная и степень деконденсации хроматина между делениями не очень велика.

2.Непрямое деление клетки. Амитоз. Эндомитоз

Процесс деления, при котором  исходно диплоидная клетка дает две дочерние, также диплоидные, клетки, называется митозом. Митоз условно разделяют на четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза. Две центриоли начинают расходиться к противоположным полюсам ядра. Ядерная мембрана разрушается; одновременно специальные белки объединяются, формируя микротрубочки в виде нитей. Центриоли, расположенные теперь на противоположных полюсах клетки, оказывают организующее воздействие на микротрубочки, которые в результате выстраиваются радиально, образуя структуру, напоминающую по внешнему виду цветок астры («звезда»). Другие нити из микротрубочек протягиваются от одной центриоли к другой, образуя веретено деления. В это время хромосомы спирализуются и вследствие этого утолщаются. Они хорошо видны в световом микроскопе, особенно после окрашивания. Считывание генетической информации с молекул ДНК становится невозможным: синтез РНК прекращается, ядрышко исчезает. В профазе хромосомы расщепляются, но хроматиды все еще остаются скрепленными попарно в зоне центромеры. Центромеры тоже оказывают организующее воздействие на нити веретена, которые теперь тянутся от центриоли к центромере и от нее к другой центриоли.

Метафаза. В метафазе спирализация хромосом достигает максимума, и укороченные хромосомы устремляются к экватору клетки, располагаясь на равном расстоянии от полюсов. Образуется экваториальная, или метафазная, пластинка. На этой стадии митоза отчетливо видна структура хромосом, их легко сосчитать и изучить их индивидуальные особенности. В каждой хромосоме имеется область первичной перетяжки — центромера, к которой во время митоза присоединяются нить веретена деления и плечи. На стадии метафазы хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой только в области центромеры.

В анафазе вязкость цитоплазмы уменьшается, центромеры разъединяются, и с этого момента хроматиды становятся самостоятельными хромосомами. Нити веретена деления, прикрепленные к центромерам, тянут хромосомы к полюсам клетки, а плечи хромосом при этом пассивно следуют за центромерой. Таким образом, в анафазе хроматиды удвоенных еще в интерфазе хромосом точно расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом (4n4с).

Таблица 1. Митотический цикл и митоз

Фазы

Процесс, происходящий в клетке

Интерфаза

Пресинтетический период (G1)

Синтез белка. На деспирализованных молекулах ДНК синтезируется РНК

Синтетический

период (S)

Синтез ДНК - самоудвоение молекулы ДНК. Построение второй хроматиды, в которую переходит вновь образовавшаяся молекула ДНК: получаются двухроматидные хромосомы

Постсинтетический период (G2)

Синтез белка, накопление энергии, подготовка к делению

Фазы

митоза

Профаза

Двухроматидные хромосомы спирализуются, ядрышки растворяются, центриоли расходятся, ядерная оболочка растворяется, образуются нити веретена деления

Метафаза

Нити веретена деления присоединяются к центромерам хромосом, двухроматидные хромосомы сосредоточиваются на экваторе клетки

Анафаза

Центромеры делятся, однохроматидные хромосомы растягиваются нитями веретена деления к полюсам клетки

Телофаза

Однохроматидные хромосомы деспирализуются, сформировывается ядрышко, восстанавливается ядерная оболочка, на экваторе начинает закладываться перегородка между клетками, растворяются нити веретена деления

В телофазе хромосомы раскручиваются, деспирализуются. Из мембранных структур цитоплазмы образуется ядерная оболочка. В это время восстанавливается ядрышко. На этом завершается деление ядра (кариокинез), затем происходит деление тела клетки (или цитокинез). При делении животных клеток на их поверхности в плоскости экватора появляется борозда, постепенно углубляющаяся и разделяющая клетку на две половины - дочерние клетки, в каждой их которых имеется по ядру. У растений деление происходит путем образования так называемой клеточной пластинки, разделяющей цитоплазму: она возникает в экваториальной области веретена, а затем растет во все стороны, достигая клеточной стенки (т.е. растет изнутри кнаружи). Клеточная пластинка формируется из материала, поставляемого эндоплазматической сетью. Затем каждая из дочерних клеток образует на своей стороне клеточную мембрану и, наконец, на обеих сторонах пластинки образуются целлюлозные клеточные стенки. Особенности протекания митоза у животных и растений приведены в таблице 2.

Таблица 2. Особенности митоза у растений и у животных

Растительная клетка

Животная клетка

Центриолей нет

Звезды не образуются

Образуется клеточная пластинка

При цитокенезе борозда не образуется

Митозы преимущественно

происходят в меристемах

Центриоли имеются

Звезды образуются

Клеточная пластинка не образуется

При цитокинезе образуется борозда

Митозы происходят

в различных тканях организма

Так из одной клетки формируются две дочерние, в которых наследственная информация точно копирует информацию, содержавшуюся в материнской клетке. Начиная с первого митотического деления оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) все дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза, содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз – это способ деления клеток, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. В результате митоза обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.

Весь процесс митоза занимает в большинстве случаев от 1 до 2 часов. Частота митоза в разных тканях и у разных видов различна. Например, в красном костном мозге человека, где каждую секунду образуется 10 млн эритроцитов, в каждую секунду должно происходить 10 млн. митозов. А в нервной ткани митозы крайне редки: так, в центральной нервной системе клетки в основном перестают делиться уже в первые месяцы после рождения; а в красном костном мозге, в эпителиальной выстилке пищеварительного тракта и в эпителии почечных канальцев они делятся до конца жизни.

Регуляция митоза, вопрос о пусковом механизме митоза.

Факторы, побуждающие клетку к митозу точно не известны. Но полагают, что большую роль играет фактор соотношения объемов ядра и цитоплазмы (ядерно-плазменное соотношение). По некоторым данным, отмирающие клетки продуцируют вещества, способные стимулировать деление клетки. Белковые факторы, отвечающие за переход в фазу М, первоначально были идентифицированы на основе экспериментов по слиянию клеток. Слияние клетки, находящейся в любой стадии клеточного цикла, с клеткой находящейся в М фазе, приводит к вхождению ядра первой клетки в М фазу. Это означает, что в клетке находящейся в М фазе существует цитоплазматический фактор способный активировать М фазу. Позднее этот фактор был вторично обнаружен в экспериментах по переносу цитоплазмы между ооцитами лягушки, находящимися на различных стадиях развития, и был назван "фактором созревания" MPF (maturation promoting factor). Дальнейшее изучение MPF показало, что этот белковый комплекс детерминирует все события М-фазы. На рисунке показано, что распад ядерной мембраны, конденсация хромосом, сборка веретена, цитокинез регулируются MPF.

Митоз тормозится высокой температурой, высокими дозами ионизирующей радиации, действием растительных ядов. Один из таких ядов называется колхицин.
С его помощью можно остановить митоз на стадии метафазной пластинки, что позволяет подсчитать число хромосом и дать каждой из них индивидуальную характеристику, т. е. провести кариотипирование.

Амитоз (от греч. а – отриц. частица и митоз) - прямое деление интерфазного ядра путем перешнуровывания без преобразования хромосом. При амитозе не происходит равномерное расхождение хроматид к полюсам. И это деление не обеспечивает образование генетически равноценных ядер и клеток. По сравнению с митозом амитоз более кратковременный и экономичный процесс. Амитотическое деление может осуществляться несколькими способами. Наиболее распространенный тип амитоза – это перешнуровывание ядра на две части. Этот процесс начинается с разделения ядрышка. Перетяжка углубляется, и ядро разделяется надвое. После этого начинается разделение цитоплазмы, однако это происходит не всегда. Если амитоз ограничивается только делением ядра, то это приводит к образованию дву- и многоядерных клеток. При амитозе может также происходить почкование и фрагментация ядер.

Клетка, претерпевшая амитоз, в последующем не способна вступить в нормальный митотический цикл.

Амитоз встречается в клетках различных тканей растений и животных. У растений амитотическое деление довольно часто встречается в эндосперме, в специализирующихся клетках корешков и в клетках запасающих тканей. Амитоз также наблюдается в высокоспециализированных клетках с ослабленной жизнеспособностью или дегенерирующих, при различных патологических процессах, таких как злокачественный рост, воспаление и т. п.

Кроме митоза в клетках некоторых органов растений и животных встречаются и другие типы деления: эндомитоз и политения. При эндомитозе не формируется веретено деления и сохраняется ядерная оболочка, вследствие чего образуются полиплоидные клетки с увеличенным числом хромосом. Политения рассматривается как частный случай эндомитоза, поскольку после многократной репликации ДНК все хроматиновые нити (хроматиды) плотно прилегают друг к другу и соединены общей центромерой, образуя гигантские политенные хромосомы.

3. Мейоз и его значение

При образовании гамет, т.е. половых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток – происходит деление клетки, называемое мейозом. Мейоз (от греч. meiosis – уменьшение) - это особый способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния 2n в гаплоидное n. Этот вид деления был впервые описан В. Флемингом в 1882 г. у животных и Э. Страсбургером в 1888 г. у растений. Мейоз включает два последовательных деления: первое (редукционное) и второе (эквационное). В каждом делении выделяют 4 фазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Все фазы первого мейотического деления обозначают цифрой I, а все фазы второго деления — цифрой II. Мейозу предшествует интерфаза, в процессе которой происходит удвоение ДНК и клетки вступают в мейоз с хромосомным набором 2n4с (n — хромосомы, с — хроматиды).

Профаза I мейоза отличается значительной продолжительностью и сложностью. Ее условно разделяют  на пять последовательных стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез. Каждая из этих стадий обладает своими отличительными особенностями.

Лептотена (стадия тонких нитей). Для этой стадии характерно наличие тонких и длинных хромосомных нитей. Число хромосомных нитей соответствует диплоидному числу хромосом. Каждая хромосомная нить состоит из двух хроматид, соединенных общим участком — центромерой. Хроматиды очень близко сближены, и поэтому каждая хромосома кажется одиночной.

Зиготена (стадия соединения нитей). Моментом перехода лептотены в зиготену считают начало синапса. Синапс – процесс тесной конъюгации двух гомологичных хромосом. Подобная конъюгация отличается высокой точностью. Конъюгация часто начинается с того, что гомологичные концы двух хромосом сближаются на ядерной мембране, а затем процесс соединения гомологов распространяется вдоль хромосом от обоих концов. В других случаях синапс может начаться во внутренних участках хромосом и продолжаться по направлению к их концам. В результате каждый ген входит с соприкосновение с гомологичным ему геном той же хромосомы. Такой тесный контакт между гомологичными участками хроматид обеспечивается благодаря специализированной структуре – синаптонемальному комплексу. Синаптонемальный комплекс представляет собой длинное белковое образование, напоминающее веревочную лестницу, к противоположным сторонам которого плотно прилегают два гомолога.

Пахитена (стадия толстых нитей). Как только завершается синапс по всей длине хромосом, клетки вступают в стадию пахитены, на которой они могут оставаться несколько суток. Соединение гомологов становится столь тесным, что уже трудно отличить две отдельные хромосомы. Однако это пары хромосом, которые называют бивалентами. В этой стадии происходит кроссинговер, или перекрест хромосом.

Кроссинговер (от англ. crossingover - пересечение, скрещивание) - взаимный обмен гомологичными участками гомологичных хромосом. В результате кроссинговера хромосомы несут комбинации генов в новом сочетании. Например, ребенок родителей, один из которых имеет темные волосы и карие глаза, а другой - светловолосый и голубоглазый, может иметь карие глаза и светлые волосы.

Диплотена (стадия двойных нитей). Стадия диплотены начинается с разделения конъюгировавших хромосом. Процесс отталкивания начинается в области центромеры и распространяется к концам. В это время хорошо видно, что бивалент состоит из двух хромосом (откуда и название стадии «двойные нити»), и что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Всего в биваленте структурно обособлены четыре хроматиды, поэтому бивалент называют тетрадой. В это же время становится видно, что тела двух гомологичных хромосом переплетаются. Фигуры перекрещенных хромосом напоминают греческую букву «хи» (χ), поэтому места перекреста назвали хиазмами. Наличие хиазм связано с произошедшим кроссинговером. По мере прохождения этой стадии хромосомы как бы раскручиваются, происходит перемещение хиазм от центра к концам хромосом (терминализация хиазм). Это обеспечивает возможность движения хромосом к полюсам в анафазе.

Диакинез. Диплотена  незаметно переходит в диакинез, завершающую стадию профазы I. На этой стадии биваленты, которые заполняли весь объем ядра, начинают перемещаться ближе к ядерной оболочке. К концу диакинеза контакт между хроматидами сохраняется на одном или обоих концах. Исчезновение оболочки ядра и ядрышек, а также окончательное формирование веретена деления завершают профазу I.

Метафаза I. В метафазе I биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки. Нити веретена прикрепляются к центромерам гомологичных хромосом.

Анафаза I. В анафазе I к полюсам отходят не хроматиды, как при митозе, а гомологичные хромосомы из каждого бивалента. В этом принципиальное отличие мейоза от митоза. При этом расхождение гомологичных хромосом носит случайный характер.

Телофаза I очень короткая, в процессе ее идет формирование новых ядер. Хромосомы деконденсируются и деспирализуются. Так заканчивается редукционное деление, и клетка переходит в короткую интерфазу, после которой наступает второе мейотическое деление. От обычной интерфазы эта интерфаза отличается тем, что  в ней не происходит синтеза ДНК и дупликации хромосом, хотя синтез РНК, белка и других веществ может происходить.

Цитокинез у многих организмов происходит не сразу после деления ядер, так что в одной клетке лежат два ядра более мелких, чем исходное.

Затем наступает второе деление мейоза, сходное с обычным митозом.

Профаза II очень короткая. Она характеризуется спирализацией хромосом, исчезновением ядерной оболочки, ядрышка, формированием веретена деления.

Метафаза II. Хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. Центромеры, соединяющие пары хроматид, делятся (в первый и единственный раз в течение мейоза), что свидетельствует о начале анафазы II.

В анафазе II хроматиды расходятся и быстро увлекаются нитями веретена от плоскости экватора к противоположным полюсам.

Телофаза II. Для этой стадии характерно деспирализация хромосом, образование ядер, цитокинез. В итоге из двух клеток мейоза I в телофазе II образуются четыре клетки с гаплоидным числом хромосом. Описанный процесс типичен для образования мужских половых клеток. Образование женских половых клеток идет аналогично, но при овогенезе развивается лишь одна яйцеклетка, а три мелких направительных (редукционных) тельца впоследствии отмирают. Направительные тельца несут полноценные хромосомные наборы, но практически лишены цитоплазмы и вскоре погибают. Биологический смысл образования этих телец заключается в необходимости сохранения в цитоплазме яйцеклетки максимального количества желтка, потребного для развития будущего зародыша.

Таким образом, для мейоза характерно два деления: в ходе первого расходятся хромосомы, в ходе второго - хроматиды.

Разновидности мейоза. 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.

Биологическое значение мейоза заключается в том, что:

  •   поддерживается постоянный кариотип в ряду поколений организмов, размножающихся половым путем (после оплодотворения образуется зигота, содержащая характерный для данного вида набор хромосом).
  •  обеспечивается перекомбинация генетического материала как на уровне целых хромосом (новые комбинации хромосом), так и на уровне участков хромосом.

4. Краткий обзор этапов гаметогенеза

Гаметогенез подразделяется на сперматогенез (процесс образования сперматозоидов у самцов) и оогенез (процесс образования яйцеклетки). По тому, что происходит с ДНК, эти процессы практически не отличаются: одна исходная диплоидная клетка дает четыре гаплоидные. Однако, по тому, что происходит с цитоплазмой, эти процессы кардинально различаются.

В яйцеклетке накапливаются питательные вещества, необходимые в дальнейшем для развития зародыша, поэтому яйцеклетка – это очень крупная клетка, и когда она делится, цель – сохранить питательные вещества для будущего зародыша, поэтому деление цитоплазмы несимметрично. Для того чтобы сохранить все запасы цитоплазмы и при этом избавиться от ненужного генетического материала, от цитоплазмы отделяются полярные тельца, которые содержат очень мало цитоплазмы, но позволяют поделить хромосомный набор. Полярные тельца отделяются при первом и втором делении мейоза.

Исходная клетка, из которой в последствии образуется зрелая яйцеклетка, называется ооцитом первого порядка (фаза деления). После деления из него образуется ооцит второго порядка (фаза роста) и первое полярное тельце. Затем происходит второе деление мейоза, в результате образуется гаплоидный оотид и второе полярное тельце (фаза созревания). Первое полярное тельце за это время тоже успевает поделиться, таким образом, всего получается три гаплоидных полярных тельца. В оотиде происходят некоторые процессы созревания и он превращается в яйцеклетку. Она содержащая почти всю цитоплазму исходного ооцита, но гаплоидный набор хромосом. Эти хромосомы уже прошли рекомбинацию, т.е. если исходно клетки содержат одну хромосому от мамы, одну от папы, то в зрелой яйцеклетке в каждой хромосоме чередуются куски, полученные от одного и второго родителя.

При сперматогенезе цитоплазма исходного сперматоцита первого порядка делится (первое деление мейоза) поровну между клетками, давая сперматоциты второго порядка. Второе деление мейоза приводит к образованию гаплоидных сперматоцитов второго порядка. Затем происходит созревание без деления клетки, большая часть цитоплазмы отбрасывается, и получаются сперматозоиды, содержащие гаплоидный набор хромосом очень мало цитоплазмы.

Оплодотворенное яйцо называют зиготой (от греч. зиготос – соединенный вместе). 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.

Процесс мейоза лежит в основе полового размножения, поскольку приводит к гаплоидному числу хромосом в гаметах. У диплоидных организмов генетическая информация хранится в парных гомологичных хромосомах, причем один гомолог происходит от матери, а другой – от отца. В результате мейоза гаплоидные гаметы содержат как материнские, так и отцовские хромосомы. Благодаря кроссинговеру между этими гомологами в профазе I мейоза, генетическая изменчивость гамет становится более высокой.

Особенно важную роль играет мейоз в жизненном цикле грибов и растений. У многих грибов (например, дрожжей) преобладающей фазой жизненного цикла считаются вегетативные гаплоидные клетки, которые размножаются путем митоза.

У многоклеточных растений чередуются диплоидная стадия спорофита и гаплоидная стадия гаметофита. У разных систематических групп преобладает та или иная стадия, а мейоз с последующим оплодотворением яйцеклетки служит «мостом», соединяющим поколения спорофитов и гаметофитов.

При половом размножении в жизненном цикле высших растений и животных преобладает диплоидная стадия (спорофит), гаплоидное состояние (гаметофит) свойственно только половым клеткам.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
    Л. С. Чернин.
     – М.: Высш. шк., 1985.
  3.  Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.
  4.  Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.
  5.  Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.


ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

Лекция 6

Наследование при моногибридных и

полигибридных скрещиваниях

Цель лекции: ознакомить учащихся с целями и задачами генетического анализа, генетической символикой, познакомить с основными работами Г.Менделя, видами доминирования, моно-, ди- и тригибридным типами скрещиваний.

План лекции:

1. Цели и задачи генетического анализа

2.Генетическая символика

3. Первый закон Г. Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения

4. Неполное доминирование и кодоминирование

5. Анализирующее (реципрокное) скрещивание

6. Второй закон  Менделя

7.  Дигибридные скрещивания. Тригибридное скрещивание

1. Цели и задачи генетического анализа

А.С. Серебровский писал: "Генетическим анализом мы называем систему опытов, наблюдений и вычислений, имеющих целью разложение свойств (признаков) организма на отдельные наследственные элементы, "отдельные признаки", и изучение свойств соответствующих им генов".

По мнению М.Е. Лобашева (1966), с помощью генетического анализа "исследуется качественный и количественный состав генотипа, проводится анализ его структуры и функционирования".

Любое скрещивание начинается с выявления признака. Потомство от скрещивания двух особей с различными признаками называется гибридным, а отдельная особь – гибридом. Закономерности наследования признаков при внутривидовой гибридизации были установлены Грегором Менделем (1865 г.) с помощью гибридологического анализа. При проведении гибридологического анализа необходимо соблюдать следующие условия:

1) использовать для скрещиваний исходные формы, различающиеся по одной или нескольким парам контрастных (альтернативных) признаков;

2) рассматривать характер наследования по каждой паре признаков;

3) проводить количественный учёт гибридных растений по всем изучаемым признакам;

4) проводить индивидуальный анализ потомства от каждого растения в ряду поколений. 

В настоящее время в понятие генетического анализа входит клонирование гена, определение последовательности нуклеотидов ДНК, выяснение интрон-экзонной структуры гена, экспрессии гена в онтогенезе.

2.Генетическая символика

Скрещивание обозначают знаком умножения - X. В схемах на первом месте принято ставить генотип женского пола. Женский пол обозначают символом

(зеркало Венеры), мужской – знаком (щит и копье Марса).

Родительские организмы, взятые в скрещивание, обозначают буквой Р (от латинского Parento - родители). Гибридное поколение обозначают буквой F (от латинского Filii - дети) с цифровым индексом, соответствующим порядковому номеру гибридного поколения.

Признаки, проявляющиеся у гибридов F1, называются доминантными (лат. dominus – господствующий), не проявляющиеся – рецессивными (лат. recessus – отступающий). Для обозначения признаков используются буквы латинского алфавита (для доминантных – прописные, для рецессивных – строчные).

Сочетание различных аллелей какого-либо признака называется генотипом по данному признаку (например, АА, Аа или аа).

Для обозначения признаков А и а У. Бэтсон в 1902 году предложил термин "аллеломорфы". В 1926 году В. Иогансен трансформировал его в "аллель". Пара аллелей характеризует два контрастных состояния гена. Аллельные гены находятся в идентичных локусах гомологичных хромосом.

Константные формы АА и аа, которые в последующих поколениях не
дают расщепления, В. Бэтсон в 1902 году предложил называть гомозиготными, а формы Аа, дающие расщепления – гетерозиготными.

Наличие константных признаков, контролируемых разными аллелями генов,  обнаружены  у всех живых организмов.

Фенотипом называют совокупность всех внешних и внутренних признаков организма. Признаком (или фенотипом) в генетическом смысле можно назвать любую особенность, выявляемую при описании организма: высота, вес, форма носа, цвет глаз, форма листьев, окраска цветка, размер молекулы белка или его электрофоретическая подвижность.

3. Первый закон Г. Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения

Чтобы убедиться в константности признаков, Мендель два года предварительно проверял различные формы гороха. Признаки должны иметь контрастные проявления. Мендель выделил у гороха 7 признаков, каждый из которых имел по два контрастных проявления, например, зрелые семена по форме были либо гладкими либо морщинистыми, по окраске желтыми или зелеными, окраска цветка была белой или пурпурной.

После определения признаков можно приступать к скрещиваниям. В скрещиваниях используют генетические линии - родственные организмы, воспроизводящие в ряду поколений одни и те же наследственно константные признаки.

Моногибридным называется скрещивание, при котором родительские формы отличаются друг от друга по одной паре признаков (например, гладкие или морщинистые семена). Рассмотрим схему моногибридного скрещивания.

Из схемы видно, что родительские формы образуют одинаковые гаметы, в каждую из которых отходит по одному гену из аллельной  пары. Пара аллелей (А и а) соответствует двум контрастным состояниям гена и локализована в идентичных локусах гомологичных хромосом. При слиянии родительских гамет формируется генотип гибридов первого поколения (Аа). Все гибриды первого поколения (F1) выглядят одинаково, т.е. имеют одинаковый фенотип, сходный с фенотипом одного из родителей. Эта закономерность иллюстрирует первый закон Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения, а также правило доминирования.

После того, как Мендель скрестил формы гороха, различающиеся по 7 признакам, у гибридов проявился, или доминировал, только один из пары родительских признаков. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не проявлялся. Позднее это явление доминирования было названо первым законом Менделя или законом единнобразия гибридов первого поколения.

При анализе наследованных признаков для краткости удобно пользоваться так называемым фенотипическим радикалом. Например, генотипы АА и Аа будут иметь фенотипический радикал А_, который означает, что в данном генотипе может быть как доминантный (А), так и рецессивный (а) аллель. Для объяснения закономерностей проявления и расщепления признаков у гибридов F2 Мендель предложил гипотезу чистоты гамет, согласно которой доминантный и рецессивный аллели в гетерозиготном генотипе F1 (Аа) не смешиваются, а образуют два типа гамет в равном соотношении: ½ А и ½ а.

В случае полного доминирования один аллель (А) полностью подавляет действие другого (а).

4. Второй закон  Менделя

Мендель скрестил полученные гибриды между собой. Как он сам пишет: "в этом поколении наряду с доминирующими признаками вновь появляются также рецессивные в их полном развитии и притом в ясно выраженном среднем отношении 3:1, так что из каждых четырех растений этого поколения три получают доминирующий и одно - рецессивный признак" (Мендель, 1923,). Всего в данном опыте было получено 7324 семян, из которых гладких было 5474, а морщинистых 1850, откуда выводится отношение 2,96:1.

Рецессивный признак не теряется, и в следующем поколении он снова проявляется (выщепляется) в чистом виде. Г. де Фриз в 1900 г. назвал это явление законом расщепления, а позднее его назвали вторым законом Менделя.

При самоопылении гибридов F1 во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3 : 1 (¾ гладких и ¼ морщинистых семян). Это соотношение выражает во второй закон Менделя – закон расщепления признаков.

Разные классы потомков (с доминантным и рецессивным проявлением) Мендель вновь самоопылил. Оказалось, что потомки с рецессивным проявлением признака сохраняются в последующих поколениях после самоопыления константными. Если же самоопылить растения из доминирующего класса, то вновь будет расщепление, на этот раз в отношении 2:1. Как пишет сам Мендель: "Отсюда ясно, что из тех форм, которые в первом поколении имеют доминирующий признак, у двух третей он носит гибридный характер, но одна треть с доминирующим признаком остается константной". И далее заключает: "...гибриды форм, обладающих парой отличных признаков, образуют семена, из которых половина дает вновь гибридные формы, тогда как другая дает растения, которые остаются константными и удерживают в равных количествах или доминирующий, или рецессивный признаки" .

В гибридах гаметы соединяются, но поскольку действует закон доминирования, внешне гибридные растения выглядят одинаково. Рецессивный детерминант в клетке сохраняется, и это становится очевидным во втором поколении, чему предшествует расхождение доминантного и рецессивного факторов по отдельным гаметам. По этой причине второй закон Менделя иногда называют "законом чистоты гамет". Для облегчения расчета сочетаний    разных    типов     гамет английский генетик Р. Пеннет предложил запись в виде решетки - таблицы с числом ячеек, зависящим от числа типов гамет, образуемых скрещиваемыми особями (широко известна как решетка Пеннета), а в квадраты решетки вписывают образующиеся сочетания гамет. Так, в скрещивании Аа х Аа будут следующие гаметы и их сочетания:

5. Неполное доминирование и кодоминирование

Кроме полного доминирования, описанного Менделем, найдены также неполное, или частичное доминирование и кодоминирование. При неполном доминировании гетерозигота имеет фенотип, промежуточный между фенотипами гомозигот.  При этом правило Менделя о единообразии фенотипа в F1 соблюдается. В F2 и по фенотипу, и по генотипу расщепление выражается отношением 1:2:1. Примером неполного доминирования может служить промежуточная розовая окраска цветка у гибридов ночной красавицы Mirabilis jalapa, полученных от скрещивания красноцветковой и белоцветковой форм.

Неполное доминирование оказалось широко распространенным явлением и было отмечено при изучении наследования окраски цветка у львиного зева, окраски оперения у андалузских кур, шерсти у крупного рогатого скота и овец и др.

Кодоминирование – это явление, когда оба аллеля дают равноценный вклад в формирование фенотипа. Например особи, имеющие группу крови АА и ВВ у человека, гомозиготны, в случае гетерозигот АВ оба аллеля одинаково экспрессируются.

6. Анализирующее (реципрокное) скрещивание

Чтобы проверить, является ли данный организм гомо- или гетерозиготным, можно, как это предложил Мендель, скрестить его с исходной гомозиготой по рецессивным аллелям. Такой тип скрещивания получил название анализирующего.

В результате анализирующего скрещивания расщепление и по фенотипу, и по генотипу составляет 1:1, что свидетельствует о гетерозиготности одного из родителей, участвовавших в скрещивании.

7.  Дигибридные скрещивания. Тригибридное скрещивание

Г. де Фриз (1900) предложил дигибридами называть организмы, полученные от скрещивания особей, отличающихся одновременно двумя парами альтернативных признаков; если признаков три пары - тригибридами; многими признаками - полигибридами.

Рассмотрим  схему  дигибридного  скрещивания.

В рассматриваемом  примере  признаки  наследуются  независимо и распределе-ние генов связано с независимым расхождением двух пар гомологичных хромосом в мейозе.

Дигетерозиготные  растения  F1 образуют   22 = 4 типов  гамет.

При  сочетании  гамет  при дигибридном скрещивании получается  42  =  16  комбинаций.

В  F2  по  каждому  признаку  наследование  происходит независимо  от другого  признака  -  третий  закон  Менделя  -  закон  независимого комбинирования  признаков.

Расщепление  по  каждой  паре  признаков  в  отдельности  происходит  так  же,  как  и  при  моногибридном  скрещивании  в  отношении  3  :  1.

По  фенотипу  в  F2  расщепление  происходит  на  22  =  4  класса  в  соотношении:

(3А -: 1аа)  х  (3В  -  :  1вв)  =  

9А  -  В  -  :  3А  -  вв  :  3  ааВ  -  :  1  аавв

жёлтых       жёлтых    зелёных      зелёных

гладких      морщин.   гладких      морщин.

По  генотипу  в  F2  расщепление  происходит  на  32  =  9  классов  в  соотношении:

    (1АА  :  2Аа  :  1аа)  х  (1ВВ  :  2Вв  :  1вв)  =

1ААВВ  :  2ААВв  :  1ААвв  :  2АаВВ  :  4АаВв  :  2Аавв  :  1ааВВ  :  2ааВв  :  1аавв.

Т. о.,  коэффициент  гомозиготного  генотипа  -  1  (ААВВ, ААвв, ааВВ, аавв),  гетерозиготного  генотипа  по  одному  гену  -  2  (ААВв, АаВВ, Аавв, ааВв),  гетерозиготного  генотипа  по  двум  генам  -  4  (АаВв).

Анализ полигибридных скрещиваний производится также, как и дигибридных, однако с каждым увеличением числа признаков возрастает число комбинаций гамет.

Если у дигибрида, как мы видели, получается 16 комбинаций, у тригибрида их уже 64, а у тетрагибрида - 256. Классическое расщепление 9:3:3:1 в дигибридном скрещивании получается не всегда, для этого необходимо соблюдение многих условий.

Следует иметь ввиду, что в полигибридных расщеплениях также может быть неполное доминирование, приводящее к серьезным изменениям в частотах встречаемости разных фенотипических классов.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
    Л. С. Чернин.
     – М.: Высш. шк., 1985.
  3.  Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.
  4.  Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.
  5.  Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
  6.  Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
    В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.


ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

Лекция 7

Взаимодействие генов

Цель лекции: ознакомить учащихся с типами взаимодействия неаллельных генов, познакомить с генотипом как целостной, исторически сложившейся системе аллельных  и неаллельных генных взаимодействий, изучить влияние факторов внешней среды на реализацию генотипа, изучить явления пенетрантности и экрессивности, норму реакции, плейотропный  эффект гена.

План лекции:

  1.  Типы взаимодействия неаллельных генов: комплементарность, эпистаз, полимерия. Гены – модификаторы.
  2.  Пенетрантность и экрессивность. Норма реакции. Плейотропный  эффект гена.

1. Типы взаимодействия неаллельных генов: комплементарность, эпистаз, полимерия. Гены – модификаторы.

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.

Комплементарность – тип неаллельного взаимодействия генов, при котором сочетание в генотипе доминантных аллелей обоих генов обуславливает появление нового признака.

Впервые подобный тип взаимодействия был изучен У. Бетсоном и Р. Пеннетом у душистого горошка.

При скрещивании двух линий с белыми цветками в F1 дигетерозиготные растения АаВв имели пурпурные цветки, а в F2 было получено 9/16 (A-B-) растений с пурпурными цветками, и 7/16 (3/16 A–bb+ 3/16 aaB– + 1/16 aabb) с белыми, т.е. расщепление составило:

9:7.

Наследование окраски цветков у Lathyrus odoratus при взаимодействии двух пар генов

Таким образом, взаимодействие доминантных генов А+В обусловливает пурпурную окраску цветков.

При комплементарном взаимодействии генов возможны отклонения от стандартной формулы расщепления по фенотипу (9:3:3:1) при дигибридном скрещивании, а именно:

9:6:1

Вариант такого взаимодействия генов характерен для наследования формы плодов у тыквы.

Наследование формы плода у Cucurbita pepo при взаимодействии двух пар генов

У тыквы наблюдается три разновидности плодов: дисковидная, сферическая и удлиненная, причем сферическая форма является рецессивной по отношению к дисковидной.

При скрещивании двух сортов тыквы со сферическими плодами получаются растения F1 с дисковидной формой плодов. В потомстве этих растений в F2 появляются три фенотипических класса в соотношении 9/16 с дисковидными плодами (А–В–), 6/16 – со сферическими (3/16 Abb+3/16 aaB–)  и 1/16  с удлиненными (aabb). Это свидетельствует о том, что каждый из доминантных неаллельных  генов А и В детерминирует сходный фенотип – сферическую форму плодов, взаимодействие их доминантных аллелей в генотипе обусловливает дисковидную форму плодов, а взаимодействие рецессивных аллелей  - удлиненную форму.

9:3:3:1

Подобное расщепление  по фенотипу в F2 наблюдается при наследовании окраски глаз у дрозофилы.

При скрещивании линий дрозофилы с ярко-красными  и коричневыми глазами получены гибриды F1 с красными глазами.

Наследование окраски глаз у Drosophila при взаимодействии двух пар генов

В F2 присутствие доминантных генов А и В у 9/16  особей приводит к формированию красной окраски глаз. Присутствие гена А в гомо- или гетерозиготном состоянии при рецессивном b дает ярко-красную окраску у 3/16 особей, а гены aaB– у 3/16 потомства дают коричневую окраску.  Гомозиготы по обоим рецессивным  генам aabb (1/16) имеют новый фенотип – белую окраску глаз.

Итак, взаимодействие доминантных генов в генотипе изменяет окраску глаз. Каждый из комплементарных  доминантных генов имеет собственное фенотипическое проявление, а двойная рецессивная гомозигота отличается от них по фенотипу.

9:3:4

Вариант подобного взаимодействия комплементарных генов можно рассмотреть на примере наследования окраски луковицы. У лука скрещивание формы, имеющей неокрашенную (белую) луковицу, с формой, имеющей желтую луковицу, дает в F1 растения с красной луковицей. А в F2 появляются растения с красной (9/16), желтой (13/16) и белой (4/16) луковицами:

P:                                       ccRR               ×                     CCrr

                                         Белая                                    Желтая   

Гаметы:                               cR                                        Cr 

F1                                                          CcRr

Гаметы:                                           CR, Cr, cR, cr

F2                            9/16 C–R– :  3/16 C–rr :  4/16 (3/16 ccR– + 1/16 ccrr)

                                  Красная                   Желтая                           Белая

Красная окраска луковицы обусловлена наличием двух доминантных генов (С–R–). Доминантный аллель С детерминирует желтую окраску луковицы, а рецессивный аллель с – белую. Доминантный ген R не имеет собственного фенотипического проявления и объединяется по фенотипу с рецессивной гомозиготой гена с, аллель r не влияет на проявление окраски.

Таким образом, комплементарными являются гены, которые при совместном действии в генотипе в гомо- и гетерозиготном состоянии (А–В–) обусловливают развитие нового признака. Действие каждого гена в отдельности (А–вв или ааВ–) воспроизводит признак лишь одного из скрещиваемых родителей.

Расщепление в F2 по фенотипу может быть разнообразным: 9:7, 9:6:1, 9:3:3:1, 9:3:4.

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: А>B.

13 : 3

Окраска оперения кур определяется двумя генами, взаимодействующими по типу доминантного эпистаза.

Ген С обусловливает окрашенное оперение, ген I  подавляет проявление пигмента(I>C); ген с детерминирует белое оперение, ген i на окраску не влияет.

При скрещивании куриц породы леггорн (ССII) с петухами породы белый виандот (ссii) в F2 13/16 кур с белым оперением и 3/16 с окрашенным оперением, у которых нормальный синтез пигмента и проявление гена С не ингибируется эпистатичным геном I.

Наследование окраски у кур при взаимодействии двух пар генов

12 : 3 :1

Такое расщепление возможно, если рецессивная аллель эпистатичного гена  имеет собственное фенотипическое проявление. Подобное взаимодействие генов наблюдается при наследовании масти лошадей.

Эпистаз у лошадей

Вороная масть определяется доминантным геном В, рыжая – рецессивным геном b, доминантный ген С из-за раннего поседения волоса дает серую масть и подавляет проявление гена В (С>B). В потомстве F2 от скрещивания серой (CCBB)  и рыжей (ссbb) лошадей12/16 имеют серую масть, 3/16 – вороную и 1/16 - рыжую.

При рецессивном эпистазе – криптомерии рецессивная гомозигота одного гена подавляет действие другого доминантного гена: аа>B.

При криптомерии в потомстве наблюдается расщепление 9:3:4.

Например, у мышей серая окраска шерсти получила название «агути» и обусловлена  взаимодействием двух доминантных генов А и В.

Рецессивный эпистаз у мышей

Ген А определяет синтез черного пигмента, ген В способствует распределению пигмента по длине волоса, рецессивный ген b не влияет на окраску шерсти. Рецессивный ген а нарушает синтез пигмента и в гомозиготном состоянии подавляет действие гена В (ааВ– альбиносы).

При скрещивании черных и белых мышей в F1 получаются лишь мыши типа агути (АаВв). В F2 9/16 мышей имеют окраску агути, 3/16 – черную и 4/16 – белую. Такое же расщепление характерно и для комплементарного взаимодействия генов.

Характерные признаки эпистатического взаимодействия генов:

действие двух пар генов на один признак;

подавление проявления гипостатичного гена  в F1;

изменение формулы дигибридного расщепления  в F2 за счет расширения доли особей с фенотипом гена супрессора, при этом характерные формулы расщепления для доминантного эпистаза 13:3, и 12:3:1, для рецессивного эпистаза – 9:3:4.

Полимерия это тип неаллельного взаимодействия генов, при котором несколько пар неаллельных генов влияют на формирование одного признака, вызывая сходные изменения.

Явление полимерии было открыто в 1909 г. шведским генетиком Нильсоном-Эле, который описал серию однозначно действующих генов, определяющих окраску эндосперма зерна пшеницы.

Это случай так называемой кумулятивной полимерии (сложной) когда степень проявления признака зависит от числа доминантных аллелей в генотипе. Так наследуется, например, длина початка у кукурузы.

Наследование и изменчивость длины початков (в сантиметрах) у Zea mays в F1и F2

Одна из исходных линий (№ 60) имеет длину початков в пределах от 5 до 8 см, линия № 54 – от 13 до 21 см. Гибриды F1 имеют средние значения длины початков. Растения F2 фенотипически неоднородны, длина початков варьирует от 7 до 21 см. При этом длина початка пропорциональна числу (дозе) доминантных генов в генотипе.

По типу кумулятивной полимерии наследуется пигментация кожи у человека. Например, в потомстве у чернокожего мужчины и белой женщины (или наоборот) рождаются дети с промежуточным цветом кожи – мулаты. У супружеской пары мулатов рождаются дети с цветом кожи от черного до белого, что определяется числом доминантных аллелей в генотипе:


                                                                                               А1А1А2А2  ×  а1а1а2а2

                                                                                        чернокожий            белый

                                                     

                                                                                                         А1а1А2а2 ×  А1а1А2а2  

                                                                                                                 мулаты

А1А1А2А2       А1А1А2а2            А1а1А2А2              А1а1А2а2              А1А1а2а2    а1а1А2А2         А1а1а2а2                  а1а1А2а2             а1а1а2а2

             1/16                2/16               2/16                     4/16             1/16            1/16               2/16                 2/16         1/16

              

          чернокожие              «темные»                        мулаты                      «светлые»                                               белые


При некумулятивной полимерии (простой),  наличие в генотипе хотя бы одного доминантного аллеля полимерных генов определяет треугольную форму плодов. Например, при скрещивании растений пастушьей сумки с треугольными плодами (стручками) с растением с овальными плодами в F1 образуются растения с плодами треугольной формы.

Наследование формы стручка у Capsella bursa pastoris при взаимодействии двух пар генов

При их самоопылении в F2 наблюдается расщепление на растения с треугольными и овальными плодами в соотношении 15:1. Если расщепление в F2 составляет 63:1, то в формировании признака участвуют 3 пары однозначных генов.

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:

P:            A1A1a2a2A3A3a4a4×a1a1A2A2a3a3A4A4

F1:          A1aA2a2A3a3A4a4

F2:          A1A1A2A2A3A3A4A4           aa1a2a2a3a3a4a4

              положительная             отрицательная     трансгрессии

Таким образом,  трансгрессии проявляются в F2, когда родительские формы не обладают крайним проявлением признаков и не несут всех доминантных (при положительной трансгрессии)  или всех рецессивных (при отрицательной трансгрессии) аллелей.

Гены-модификаторы – гены, усиливающие или ослабляющие действие основного гена.

Изучение окраски млекопитающих показало, что наряду с крайними формами, обладающими полным развитием пигмента (черная окраска) или его отсутствием (альбиносы), имеется целый ряд промежуточных форм – сероватых, бурых, желтых. Окраска шерсти зависит от наличия генов-модификаторов, не имеющих собственное проявление, но изменяющих действие основного гена.

Гены-модификаторы контролируют вкус, цвет и аромат плодов, поэтому их рекомендуется накапливать для улучшения признаков сортов плодовых культур.

2. Пенетрантность и экрессивность. Норма реакции. Плейотропный  эффект гена.

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 IА IА или IАi  имеют группу крови А, люди генотипа IВ IВ или IВi группу крови В, а генотип IА IВ 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. Болезнь начинается с непроизвольных, подергиваний головы, конечностей и туловища и прогрессируя, приводит к дегенеративным изменениям нервной системы, потере физических и умственных сил и смерти. Возраст первого проявления хореи Гентингтона – от младенчества до старости. 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. Причины, которые влияют на проявление гена у одних особей и не проявляется у других, могут быть влияние внешней среды и генотипа. Роль среды в проявлении гена очевидна и в ауксотрофных мутациях и других условных леталей. К примеру дрозофилы несущие некоторые  температурочувствительные летальные мутации, обладают нормальной жизнеспособностью при 20 С, но при 29 С они теряют подвижность или погибают внешняя среда также оказывает влияние на экспрессивность морфологических признаков. Например, у человека полидактилия проявляется в присутствии доминантного гена D, который контролирует число лучистых костей. Экспрессивность генотипа Dd варьирует у одного и того же человека, который может иметь на одной руке пять пальцев, а на другой шесть. В этом случае варьирующая экспрессивность определяется внутренней средой развивающегося организма. 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:

                                        Аа                        ×                      Аа

                               Платиновые                              Платиновые

                                         2Аа                     :                     1аа

                                    Платиновые                       Серебристо-черные

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.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
    Л. С. Чернин.
     – М.: Высш. шк., 1985.
  3.  Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.
  4.  Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.
  5.  Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
  6.  Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
    В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.


ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

Лекция 8-9

Генетика пола и наследование признаков, сцепленных с полом. Сцепление генов и кроссинговер. НЕХРОМОСОМНОЕ (ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ) НАСЛЕДОВАНИЕ

Цель лекции: ознакомить учащихся с генетикой пола и наследованием признаков, сцепленных  с полом, изучить сцепление генов и процесс кроссинговера.

План лекции:

  1.  Пол как признак. Половой диморфизм. Первичные и вторичные половые признаки.
  2.  Определение пола.
  3.  Гинандроморфы, интерсексы, гермафродиты и другие половые отклонения
  4.  Наследование признаков сцепленных с полом.
  5.  Сцепление генов и кроссинговер. Генетические доказательства перекреста хромосом.
  6.  Частота кроссинговера и линейное расположение генов в хромосоме. Цитологические доказательства кроссинговера.
  7.  Митотический (соматический) кроссинговер. Факторы, влияющие на кроссинговер.

9. Нехромосомное  (цитоплазматическое) наследование

1.Пол как признак. Половой диморфизм. Первичные и вторичные половые признаки.

Половое размножение присуще большинству живых организмов. Существование полового процесса у прокариотов и эукариотов предполагает наличие по крайней мере двух полов. В природе чаще всего встречается раздельнополость, т.е. самостоятельное существование женских и мужских особей. Однако иногда у животных, а чаще у растений имеются формы, у которых оба пола существуют совместно. Это так называемый гермафродитизм.

Пол представляет собой совокупность признаков и свойств организма, обеспечивающих воспроизведение потомства и передачу наследственной информации.

Половой диморфизм – это различия морфологических, физиологических и биохимических признаков у особей разных полов.

У прокариотов черты полового диморфизма выражены слабо и ограничиваются наличием в мужских бактериальных клетках полового фактора – фрагмента ДНК, существующий виде цитоплазматической структуры или структуры, интегрированной в хромосому.

У водорослей, грибов, некоторых простейших (инфузории) имеется несколько половых форм. У водорослей, к примеру, это плюс- и минус-формы, выполняющие соответственно роль «мужских» и «женских» клеток.

У более высоко развитых эукариотов наблюдается четкий половой диморфизм, при котором различия между особями женского и мужского пола проявляются уже и по морфологическим признакам.

Все признаки, отличающие один пол от другого, условно делят на 2 группы: первичные и вторичные.

Первичные половые признаки обеспечивают образование гамет и соединение их в процессе оплодотворения. К ним относятся гонады и половые органы.

Вторичные половые признаки – это совокупность морфологических и физиологических признаков и свойств, определяющих фенотипические различия между особями разных полов. Значение их в размножении косвенное (тип волосяного покрова, тембр голоса, брачная окраска животных), но формирование контролируется деятельностью половых гормонов, т.е. они связаны с функцией гонад.

Иногда выделяют признаки, не относящиеся к чертам полового диморфизма, но проявление их зависит от гормональной активности половых желез. Так, гены молочности не выражаются фенотипически у быков, яйценоскости – у мужских особей птиц.

Количество мужских и женских половых гормонов в крови влияет и на форму доминирования (ген рогатости у баранов, ген лысости у человека).

2. Определение пола.

Давно замечено, что соотношение мужского и женского полов в потомстве фактически от любого скрещивания близко соответствует соотношению 1:1, т.е. в достаточно большой группе потомков на 100 самцов рождается 100 самок. Совершенно очевидно, что такое расщепление коррелирует с результатами особого генетического скрещивания – аналитического – когда один из родителей гетерозиготен, другой – гомозиготен по анализируемому признаку. Поэтому a priori можно предположить, что один из полов как бы гетерозиготен, а другой гомозиготен по фактору, определяющему пол. Цитологический анализ выявляет наиболее заметное различие у полов – сочетание половых хромосом в кариотипе, причем один пол имеет одинаковые хромосомы, в кариотипе другого - две разных половых хромосомы, т.е. этот пол как бы "гетерозиготен".

Привлекает внимание огромное разнообразие вариантов полового размножения и соответствующих ему версий определения пола, затруднена даже их классификация.

Выделяют несколько типов определения пола в зависимости от числа и состава половых хромосом, например, у самца могут быть Х- и Y-хромосомы, а у самки – XX. К такому типу относятся человек, дрозофила, водяной клоп Ligaeus, по имени которого и назван данный тип определения пола, а также многие другие виды животных.

Еще один тип, названный по имени другого водяного клопа Protenor, и встречающийся у некоторых бабочек и червей, связан с наличием у самцов Х0 хромосом, а у самок двух Х-хромосом.

Другой тип хромосомного определения пола найден у птиц, некоторых бабочек, рыб, земноводных и цветковых растений. У них гетерогаметным (т.е. с разными половыми хромосомами) полом является женский, и самки имеют набор половых хромосом ZW или Z0, в то время как самцы – ZZ.

Известны и некоторые другие типы определения пола.

В некоторых случаях появление мужского или женского пола определяется не наследственными различиями, а возникает под влиянием условий среды. Классическим примером служит морской червь Bonellia viridis. Самцы размером в несколько миллиметров живут в матке самки, где выполняют свою задачу – оплодотворяют яйцеклетки. Самец является типичным паразитом, живущим внутри тела самки, размер которой примерно равен размеру сливы.

Свободно плавающие личинки, развивающиеся после оплодотворения яйцеклеток, некоторое время ведут свободный образ жизни, а затем прикрепляются к хоботу половозрелой самки, либо оседают и прикрепляются ко дну.

Половые различия между самкой и самцом у морского червя Bonellia viridis 

Личинки этих двух сортов ничем друг от друга не отличаются. Куда попадает данная личинка – это дело случая. Однако во что превращается личинка, т.е. будет ли она самцом или самкой, определяется условиями в период несвободной жизни личинки. Личинки, прикрепившиеся к хоботу самки, развиваются в самцов. Они проникают в женские половые органы и живут там как паразиты. Личинки, прикрепившиеся ко дну, развиваются в самок.

3. Гинандроморфы, интерсексы, гермафродиты и другие половые отклонения

У дрозофилы и у других организмов известны случаи гинандроморфизма, когда разные участки тела по своим признакам принадлежат разным полам. Организм выглядит как мозаик, у которого одна часть мужская, а другая женская (Рис). В данном случае зигота имела две X-хромосомы и должна была развиться в самку. Она была гетерозиготой по генам белоглазия и маленьких крыльев w m/w+m+. Во время первых делений дробления хромосома w+m+ была утеряна и экватор митотического деления располагался по линии симметрии от головной до хвостовой части эмбриона. В результате левая часть тела мухи состояла из клеток, имеющих только одну Х-хромосому, что соответствует генотипу самца. Правая сторона имела две Х-хромосомы и развилась в самку.

У непарного шелкопряда Lymantria dispar имеются резкие различия между самками и самцами. Скрещивания разных географических рас этой бабочки (европейских и японских) привело к появлению форм, переходных по своим

Билатеральный гинандроморф y Drosophila melanogastei

признакам между самцами и самками, т.е. к появлению интерсексуальности. Интерсексы обнаружены и у дрозофилы.

От гинандроморфов интерсексы отличаются тем, что у них отсутствуют различно детерминированные по полу сектора.

У интерсексов до определенного момента развития сохраняется генетически детерминированный пол, но затем развитие продолжается в направлении противоположного пола. В результате интерсексы отличаются от нормальных особей тем, что у них первичные и вторичные половые признаки носят промежуточный характер, образуя непрерывный ряд переходов от нормального самца к нормальной самке.

Наряду с разнополостью у многих растений и у низших животных мужской и женский пол совмещается в одном организме, который таким образом является гермофродитом.

4. Наследование признаков сцепленных с полом.

Наследование признаков, гены которых находятся в X и У хромосомах, называется наследованием, сцепленным с полом.

Т.Г. Морган и его сотрудники провели два типа скрещиваний дрозофил: в одном самки были нормальными по цвету глаз (w+), а самцы имели белые глаза (w), в другом белоглазых самок (w) скрещивали с нормальными самцами

(w ). Такие скрещивания называют реципрокными, т.е. проведенные в обоих направлениях. В скрещивании нормальных самок с белоглазыми самцами

все самцы и самки первого поколения были красноглазыми (w+w и w+Y). Во втором поколении все самки были красноглазыми, а самцы - красноглазыми и белоглазыми, в соотношении 1:1.

Расщепление 3:1 получается, но своеобразное, самки все одного фенотипа, а самцы - двух.

В случае реципрокного скрещивания, когда самка, гомозиготная по гену w (белые глаза), скрещивается с красноглазым самцом, расщепление наблюдается в первом же поколении в отношении белоглазых и красноглазых 1:1.

Схема передачи X-хромосомы от самки w+/w+ и w/w самцу и наследование крисс-кросс

При этом белоглазыми оказываются только самцы, а все самки - красноглазые. В F2 и самки, и самцы представлены и белоглазыми, и красноглазыми особями в равных соотношениях.

Картина наследования, когда в F1 признаки родителей передаются противоположному полу, называется крисс-кросс (criss-cross - крест-накрест).

Эти расщепления полностью коррелируют с поведением половых хромосом. Именно в этом эксперименте была впервые показана генетическим образом роль хромосом в наследственности.

5.Сцепление генов и кроссинговер. Генетические доказательства перекреста хромосом

Как и в других законах наследственности, в законе о сцеплении генов сразу же обнаружили исключения. Морган в 1911 году нашел, что в гомологичной паре хромосом регулярно происходит обмен генами.

В скрещивании организмов, различающихся по паре признаков, в F1 получаются дигетерозиготы АВ/аb.

В скрещивании потомков F1 с родительской формой ab/ab в случае полного сцепления получалось бы расщепление   АВ/ab   и   ab/ab   в соотношении 1:1. Однако, всегда появляются новые сочетания признаков, например, Ab/ab и aB/ab. Значит, во время гаметогенеза образовались новые сорта гамет за счет перекреста хромосом и обмена их фрагментами.

Дополнение

Отмечая заслуги Т.Х. Моргана в формулировании хромосомной теории наследственности, в 1933 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Т.Х. Морган с сотрудниками скрещивал линии дрозофил, содержащие гены aчерное тело, b - зачаточные крылья).

Далее, ставились реципрокные скрещивания: в одном дигетерозиготой была самка, а дигомозиготой - самец, в другом скрещивании - наоборот.

Если дигетерозиготой был самец, в потомстве 1 часть имеет фенотип Ab, другая часть - aB. Эти классы расщепляются в соотношении 1:1.

В реципрокном скрещивании получено четыре класса потомков, два из которых имеют сцепленные гены, в том порядке, в каком они наблюдались у родителей, а два других класса возникли в результате нарушения сцепления - это кроссоверы:

Эти результаты неопровержимо показывают, что в ходе гаметогенеза произошел обмен фрагментами хромосом.

В каждом из классов число мух было в определенных числовых сотношениях: Ab/ab и aB/ab  составляли по 41,5%, т.е. некроссоверов было 83%. Два кроссоверных класса по числу особей были также одинаковыми (8,5%) и сумма их равна 17%.

Процент кроссинговера определяется как отношение числа гамет с зарегистрированными обменами между двумя определенными парами аллелей к общему числу гамет.

Значение частоты кроссинговера между двумя генами, выявляемое в опыте, не может быть более 50 %, т.к. эта частота составляет вероятность нормального, т.е. без кроссинговера, расхождения хромосом.

6. Частота кроссинговера и линейное расположение генов в хромосоме. Цитологические доказательства кроссинговера

А. Стертевант предположил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем дальше отстоят гены друг от друга в хромосоме. Чем реже кроссинговер, тем они ближе. Таким образом он предложил строить линейные карты расположения генов.

В России для обозначения частоты кроссинговера, равной 1%, использовали термин "морганида" в честь Т.Х. Моргана. В США долгое время использовали термин "единица карты" (map unit - m.u.). Начиная с 80-х годов почти повсеместно как в русскоязычной, так и англоязычной литературе используют термин "сантиморган" (centiMorgan или сМ).


В начале 30-х годов К. Штерн получил линии дрозофилы, имеющие половые хромосомы, отличимые друг от друга на цитологическом уровне. У самки на одну из Х-хромосом был перенесен небольшой фрагмент Y-хромосомы, что придало ей специфическую Г-образную форму, легко различимую под микроскопом. (Рис.).

Схема опыта по цитологическому доказательству кроссинговера на
D. melanogaster

Были получены самки, гетерозиготные по двум указанным морфологически различным X-хромосомам и одновременно по двум генам Ваг (В) и carnation {car).

Цитологический анализ 374 препаратов самок показал, что в 369 случаях кариотип соответствовал ожидаемому. Все четыре класса самок имели по одной нормальной, т.е. палочковидной Х-хромосоме, полученной от отца. Кроссоверные (т.е. В саг+ по фенотипу) самки содержали двуплечую Г-образную Х-хромосому.

Схема кроссинговера в IX паре хромосом кукурузы в опытах Крейтона и МакКлинток

Эти результаты подтвердили гипотезу Т.Х. Моргана и его сотрудников о том, что кроссинговер представляет собой обмен участками гомологичных хромосом и что гены действительно локализованы в хромосомах.

Аналогичные результаты были получены на кукурузе (Рис.).

Г. Крейтон и Б. МакКлинток получили линию, в которой хромосомы
IX пары у кукурузы оказались цитологически различными (гетероморфными). Одна была нормальной и несла гены с (неокрашенный эндосперм) и Wx (крахмалистый эндосперм), другая несла knob (утолщение) одного плеча, другое плечо было длиннее. Эта хромосома была помечена генами С (окрашенный эндосперм) и wx (восковидный эндосперм).

В этом скрещивании обнаружили, что кроссоверные зерна неизменно содержали IX хромосому с обменявшимися участками: хромосому нормальной длины, но с утолщением, или хромосому без утолщения, но удлиненную.

7.Митотический (соматический) кроссинговер. Факторы, влияющие на кроссинговер

До сих пор мы рассматривали обмены участками хромосом, происходящие в ходе мейоза. Однако, как выяснилось, кроссинговер может происходить и в соматических клетках в ходе митоза.

Гомологичные хромосомы в интерфазе конъюгируют и входят в митотическое деление спаренными. Соматический кроссинговер может быть обнаружен, если он осуществляется на стадии четырех хроматид (Рис.).

На частоту кроссинговера влияют:

а) внешние условия (температура и др.),

б) стадии развития (возраст),

в) пол,

г) генотип  (определенные  гены  или
структурные изменения хромосом).

Кроссинговер обнаружен почти у всех изученных видов животных и растений, однако формирование обменов хромосом зависит от пола, например, у самцов дрозофилы и самок шелкопряда (оба пола гетерогаметные) кроссинговер не происходит.

Схема  митотического кроссинговера

Острое воздействие высокой температурой, например, тепловой шок при 35°С на стадии 12 час куколки дрозофилы приводит к огромному увеличению частоты обменов. На участке между генами It и stw при 25°С нормальной для дрозофилы температуры - выявлены низкая частота обменов 0,05%. После теплового шока она возрастает более чем в 30 раз (т.е. достигает значения 1,7%).

Обнаружены и другие факторы, влияющие на частоты перекреста, такие как дополнительные хромосомы в геноме, хромосомные перестройки и т.д.

8. Нехромосомное  (цитоплазматическое) наследование

Не все эукариотические гены локализованы в хромосомах клеточных ядер. После переоткрытия менделеевских законов наследование стало ясно, что некоторые типы изменчивости не подчиняются этим законам. В 1909 г. Карл Корренс опубликовал работу по   наследованию пестролистности у Mirabilis galapa, в которой был описан не менделевский тип наследования.

Для многих видов декоративных растений характерно пёстролистность – появление белых и жёлтых пятен и полос на листьях зелёных растений. Жёлтые участки могут быть небольших размеров, но иногда жёлтыми становятся целые побеги, тогда как другие остаются зелёными или пёстрыми. Корренс брал пыльцу с цветков, растущих на жёлтых, пёстрых и зелёных побегов, и нанося её (удалив тычинки) на пестики цветов, растущих на побегах всех трёх типов. Свойства, проросших из таких семян растений определяются характером материнского цветка и не зависят от свойств цветка, с которого была взята пыльца. Эти результаты были первым примером цитоплазматической наследственности. Известно, что зелёный цвет растений определяется хлоропластами, содержащими фотосинтетический пигмент – хлорофилл. Зелёные хлоропласты развиваются из самостоятельно делящихся органелл, называемых пластидами, и находящихся в цитоплазме клеток растений. Пластиды клеток из жёлтых участков пёстролистных растений не способны развиваться в нормальные зелёные хлоропласты. Растения, выросшие из семян, завязавшихся в цветках на жёлтых побегах, не способны к фотосинтезу и скоро погибают.

Хлоропластная ДНК (хлДНК) представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу. Ее размеры варьируют у разных видов растений преимущественно в интервале 130—160 тыс. н. п. В настоящее время полностью расшифрована нуклеотидная последовательность хлДНК ряда видов, в том числе табака и риса. При этом обнаружены общие принципы организации хлоропластной ДНК и ее консервативность (неизменность первичной структуры) в ходе эволюции. ХлДНК содержит около 130 генов. В ней представлены по два гена четырех типов (4,5S, 5S, 16S и 23S) рибосомальных РНК (рРНК), гены всех транспортных РНК (около 30 видов), гены рибосомальных белков (около 20). Гены субъединиц РНК-полимеразы — фермента, осуществляющего синтез РНК на хлДНК. Хлоропластный геном кодирует около 40 белков тилакоидной мембраны, участвующих в формировании комплексов электронтранспортной цепи. Это составляет около половины входящих в них белков. Остальные белки тилакоидной мембраны кодируются в ядре. ХлДНК содержит ген большой субъединицы ключевого фермента фотосинтеза рибулозодифосфаткарбоксилазы (РДФК).

Организация генетического аппарата хлоропластов и бактерий имеет много общего. По прокариотическому типу организованы промоторы, регулирующие начало транскрипции и локализованные в области 35 — 10 н.п. до точки начала транскрипции, и терминаторы, определяющие ее окончание. Вместе с тем в отличие от прокариот в хлДНК обнаружены интроны, характерные для генов эукариот. Хлоропластные рибосомы относятся к 70S-типу, характерному для прокариот.

Для каждого вида растений характерно определенное число хлоропластов в клетке, варьирующее у разных видов от нескольких единиц до величин, превышающих сотню. Число хлоропластов в клетке, а следовательно, их деление контролируется ядром. Таким образом, формирование всех важнейших структур хлоропласта зависит и от ядра, и цитоплазмы. Это объясняет невыполнимость идеи создания культуры изолированных хлоропластов, где бы они самостоятельно размножались на питательной среде.

Происхождение ДНК органелл

Широко распространено мнение, что митохондрии и хлоропласты произошли от прокариотических эндосимбионтов, которые обитали в цитоплазме предшественников эукариот. Как полагают, митохондриям дали начало пурпурные бактерии, а хлоропластам (позднее) — цианобактерии (синезеленые водоросли) или близкие к ним организмы.

Симбионты проникли в эукариотические клетки и в ходе эволюции потеряли свою автономность, передав большое число важнейших генов в ядерный геном. В результате независимая бактериальная клетка превратилась в полуавтономную органеллу, сохранившую главную исходную функцию — способность к фотосинтезу (у хлоропластов) и систему окислительного фосфорилирования (у митохондрий).

Хотя многие гены этих древних бактерий все еще используются для синтеза белков органеллы, большая их часть по неясным причинам включилась в ядерный геном, где они кодируют ферменты, которые сходны с бактериальными и синтезируются на рибосомах в цитоплазме, а затем переходят в органеллу.

Литература

Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.

Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
Л. С. Чернин.
 – М.: Высш. шк., 1985.

Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.

Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.


МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ (4 часа)

Лекция 10

Генетическая роль ДНК и РНК, ее доказательство. Репликация, Рестрикция и модификация ДНК.

Структура и функции гена

Цель лекции: ознакомить учащихся с процессами репликации, рестрикции и модификации ДНК, познакомить с особенностями структуры и функции гена.

План лекции:

1. Генетика микроорганизмов

2.Способы передачи наследственной информации у бактерий

3. Репликация ДНК

4. Репарация ДНК

1. Генетика микроорганизмов

В 40-х годах XX в. началась новая эра в изучении генетических закономерностей. Генетическими исследованиями занялись не только генетики, но и физики, химики, микробиологи. Объектом исследований стали прокариоты. Долгое время существовало мнение, что микроорганизмы не обладают наследственностью. Микробиологи и генетики по-разному оценивали их с точки зрения целостной единицы. Первые считали организмом, т.е. живой единицей, огромную популяцию клеток, иными словами, бактериальную культуру. Вторые же рассматривали культуру микроорганизмов как сообщество свободно живущих клеток, а колонию — как потомство одной клетки. Информация, по их мнению, должна передаваться от клетки к клетке, а не от культуры. В связи с этим было различным и представление об изменчивости бактерий. Так, по мнению микробиологов, кишечная палочка, обычно культивирующаяся на лактозе, в результате адаптации к условиям существования спустя определенное время после посева может дать рост и на среде с другим сахаром (глюкозой). Генетики же полагают, что способность бактерий расти на глюкозе может развиться и без всякой связи с углеводом при условии, если в культуре будет хотя бы одна клетка, сбраживающая этот сахар, и будет время для ее размножения.

Сталкиваясь с разнообразием клеток в культуре, микробиологи по-разному объясняли это явление. Некоторые утверждали, что бактерии, обладая огромной биологической пластичностью, могут принимать любую биологическую форму и изменять физиологическую функцию. Такое направление получило название плейоморфизм.

Последователи другого направления — мономорфизма — считали, что потомки одной бактерии обладают строго постоянной структурой и функцией и изменчивость является результатом засорения культуры.

По мере более глубокого изучения изменчивости бактерий, их способности адаптироваться к условиям обитания существующие концепций оказывались все более несостоятельными и вытеснялись новыми гипотезами.

Согласно концепции диссоциации, изменчивость обусловливалась превращением одной формы бактерий в другую. Например, шероховатая форма непатогенных пневмококков может диссоциировать в гладкую патогенную: RS.

В то же время сторонники онтогенной (циклогенной) теории считали, что гладкие и шероховатые формы пневмококков — это лишь различные фазы жизненного цикла одних и тех же бактерий. Все это свидетельствовало об отсутствии четких представлений о причинах изменчивости бактериальных клеток.

Бактерии долго не включались в генетические исследования из-за малых размеров, исключающих возможность достаточно четкого цитологического анализа их, отсутствия конкретных представлений о причинах изменчивости микроорганизмов, а также навыков по гибридологическому анализу.

Датой рождения генетики микроорганизмов следует считать 1943 г., когда появились работы С. Луриа и М. Дельбрюка, которые показали, как следует строить опыты с микроорганизмами, вести учет их признаков, проводить количественный анализ полученных результатов.

Микроорганизмы оказались очень удобным объектом для генетических исследований прежде всего потому, что 1 они являются гаплоидными организмами, у них одна хромосома и она представляет собой молекулу нуклеиновой кислоты, не связанную с белком. Кроме того, 2 микроорганизмы обладают коротким жизненным циклом: некоторые вирусы и бактериофаги живут 20-30 мин, грибы— 1-2 ч. За такой промежуток времени вследствие      3 большой скорости размножения они дают многочисленное потомство. Это позволяет уловить генетические события, происходящие с частотой одно на 1 млн. клеток и реже. И, наконец, 4 микроорганизмам присущи два способа размножения — половой и бесполый.

Микроорганизмы как объект генетических исследований должны обладать рядом достаточно хорошо регистрируемых признаков. Это прежде всего морфологические признаки, т. е. форма и размер колоний, отдельных бактериальных клеток, окраска и характер поверхности (гладкая, шероховатая) колоний и т. д. Эти признаки можно оценить визуально с помощью светового микроскопа или же без специальных приборов и инструментов. Сравнительно несложно учитываются и физиологические (функциональные) признаки бактерий — устойчивость к температуре, свету, химическим веществам, в том числе антибиотикам. Например, фенол или этиловый спирт вызывает у некоторых бактерий образование добавочных жгутиков, а избыток солей кальция подавляет спорообразование. При исключении из среды этих факторов морфологические признаки микроорганизмов восстанавливаются. Нарушение способности синтезировать те или иные необходимые для нормальной жизнедеятельности бактерий вещества лежит в основе биохимических признаков.

Все микроорганизмы по способу питания делятся на две группы: прототрофы и ауксотрофы. Прототрофы — бактерии дикого типа. Они могут жить на минимальной питательной среде, содержащей лишь минеральные соли и углеводы, и нужные им вещества (аминокислоты, витамины и пр.) синтезируют сами. Ауксотрофы — микроорганизмы, потерявшие способность синтезировать определенные вещества. Они живут только на полной питательной среде, содержащей все нужные для них метаболиты.

Для учета биохимических изменений (мутаций) используется метод «отпечатков» и метод «селективных сред». Первый сводится к тому, что на чашку Петри с полной питательной средой высевается исследуемый штамм микроорганизмов и после роста колоний делается отпечаток их на чашки Петри (с минимальной и полной питательной средой) с помощью кусочка бархата, натянутого на диск, одинаковый по диаметру с чашкой. Затем сравнивают колонии, появившиеся на обеих чашках, и отмечают те, которые не дали роста на минимальной среде. Это ауксотрофные мутанты, требующие дальнейшего анализа, чтобы выяснить, какие же вещества они потеряли способность синтезировать. Данный анализ проводится методом селективных сред, т. е. набора сред, содержащих не все метаболиты сразу, а один какой-нибудь (определенный витамин, аминокислоту, азотистое основание). В зависимости от того, на какой среде ауксотрофный мутант дает рост, можно определить присущий ему биохимический дефект.

2.Способы передачи наследственной информации у бактерий

В 1928 г. Ф. Гриффите получил интересные данные по заражению мышей возбудителем пневмонии. Он использовал два штамма пневмококка: вирулентный штамм S (клетки его имеют полисахаридную капсулу и дают гладкие колонии) и невирулентный штамм R (клетки не обладают капсулой и образуют шероховатые колонии). Заражение мышей вирулентным штаммом вызывало их гибель. При инъекции невирулентного штамма мыши не болели. Пневмония у них не развивалась и после введения вирулентного штамма, убитого нагреванием. Однако, если мышам вводился одновременно убитый штамм S и живой штамм R, через некоторое время они погибали от пневмонии, а при посеве крови были выделены живые пневмококки с капсулой. Таким образом, можно было предполагать, что свойства убитого вирулентного штамма как бы перешли к живому невирулентному. Это явление было названо трансформацией.

Природу этого явления в 1944 г. установил О. Эвери. Он провел аналогичный эксперимент с пневмококками in vitro. Спонтанно штамм S мог мутировать, т. е. приобретать свойства штамма R, но обратная мутация (RS), как правило, не происходит. Однако добавление к R экстракта убитых пневмококков S увеличивает вероятность обратной мутации. Эвери выделил вещество из убитых бактерий вирулентного штамма S, очистил, изучил химические свойства и назвал его трансформирующим фактором. Трансформирующий фактор инактивировался   лишь   одним   ферментом — дезоксирибонуклеазой, расщепляющим только ДНК. Это означало, что трансформирующим веществом является ДНК. Так было получено первое подлинное доказательство генетической роли нуклеиновых кислот. Однако это открытие не сразу привлекло всеобщее внимание, поскольку в то время было мало известно о химической природе генов, структуре белков и ДНК. Тем не менее открытие Эвери стимулировало более детальное изучение нуклеиновых кислот. В 1947 г. Э. Чаргафф установил, что количество нуклеотидов ДНК и их соотношение у разных организмов неодинаково. Это навело на мысль, что порядок расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, очевидно, как-то связан с ее генетической специфичностью.

Трансформация сводится к включению вещества хромосомы одной бактерии (донора) в хромосому другой (реципиента) и служит одним из способов обмена генетической информацией у бактерий. Однако механизм ее еще недостаточно изучен.

Долгое время считалось, что генетическая трансформация свойственна только одноклеточным. В настоящее время установлено, что явления, напоминающие генетическую трансформацию, могут происходить и в клетках эукариотов. При взаимодействии некоторых вирусов с клетками животных возможна трансформация эукариотной клетки. Полученная ею новая генетическая информация устойчиво передается при последующих клеточных делениях. Получены неоспоримые доказательства существования генетической трансформации в клетках млекопитающих. Дж. Берг и В. Мак-Брайд при культивировании клеток мыши в среде с изолированными хромосомами клеток человека выделили потомство клеток с маркерами последнего. (Имеются основания считать, что в геном реципиента включается лишь небольшой участок хромосомы донора, около 2 %.) Пока мало известно о характере связи между геномом реципиента и фрагментом хромосомы донора, но, несомненно, связь эта довольно прочная — клетки мыши не теряли приобретенные свойства даже при выращивании в неселективных условиях.

В 1952 г. Н. Циндер и Дж. Ледерберг описали еще один способ передачи наследственной информации у бактерий. Исследования проводились на бактериях мышиного тифа Salmonella fyphimurium. В U-образную трубку с бактериальным фильтром посередине засевались на полную питательную среду 2 штамма: в одну часть пробирки штамм 22А (ауксотрофный по мутации, тормозящей синтез триптофана Т-; это требовало добавления данной аминокислоты в среду для культивирования), в другую — штамм дикого типа (способен синтезировать триптофан Т+). Совместное выращивание двух штаммов бактерий мышиного тифа привело к тому, что через некоторое время при посеве на минимальную среду бактерии штамма 22А дали небольшое количество колоний. Следовательно, они каким-то образом приобрели способность синтезировать триптофан. Переход бактерий из одного колена пробирки в другое преграждался бактериальным фильтром, а возможность обратной мутации штамма 22А исключалась, так как он был стабильным в этом отношении. По мнению Циндера и Ледерберга, перенос информации осуществлялся фагом. Было установлено, что ДНК-содержащие вирусы (фаги) делятся на две группы: паразиты, приводящие к гибели бактериальные клетки, и умеренные (симбиотические), не вызывающие заболевания и разрушения клеток. Умеренные вирусы, или профаги, существуют в клетке в виде ДНК, интегрированной с ДНК бактерии, и реплицируются вместе с ее хромосомой. Явление такого сосуществования умеренного фага и бактерии носит название лизогении. Лизогенная клетка (иначе клетка с профагом) обычно ничем не отличается от других бактерий. Обнаружить профаг удается лишь при активизации его ионизирующим и ультрафиолетовым излучением или при воздействии каких-либо иных факторов, вследствие чего он превращается в зрелый фаг, убивает клетку и использует ДНК бактерии на построение своей ДНК. Таким образом, профаг при заражении новой клетки может сообщить ей часть наследственной информации от старой. Штамм оказался лизогенным по фагу, который из умеренного в силу каких-то причин превратился в паразитический и при заражении новых бактерий перенес в них часть фрагмента ДНК с геном, контролирующим синтез триптофана. Бактериальный фильтр не послужил преградой для вирусов, так как размеры их очень малы и они могут фильтроваться.

Явление переноса наследственной информации бактериофагом от одних бактерий к другим называется трансдукцией. Механизм трансдукции еще недостаточно изучен. Предполагается, что фрагмент чужеродной ДНК вначале самостоятельно реплицируется, а затем путем рекомбинации включается в хромосому клетки-реципиента. Трансдукция в настоящее время детально изучается в связи с вопросами генной инженерии, поскольку может рассматриваться в качестве одного из путей переноса наследственной информации от клетки к клетке.

В 1946 г. Дж. Ледерберг и Е. Татум при совместном выращивании двух ауксотрофных комплементарных мутантов кишечной палочки Е. coli (В-М-Р+Т+ и В+М+Р-Т-) в течение ночи получили культуру В+М+Р+Т+, которая оказалась способной в отличие от исходных штаммов расти на минимальной питательной среде без добавления метионина, биотина, треонина и пролина. Трансформации и трансдукции здесь явно не было. При наличии бактериального фильтра в сосудах, где выращивались культуры, взаимного обмена информацией не наблюдалось. Очевидно, существует очень тесный контакт между бактериями. На основании этого впервые было высказано предположение о возможности у бактерий полового процесса. Половой процесс у бактерий, при котором осуществляется перенос генетической информации при тесном контакте клеток, был назван конъюгацией. Впоследствии удалось получить микрофотографии конъюгирующих бактерий кишечной палочки. Передача информации при конъюгации носит односторонний характер. В 1952 г. Б. Хейс показал, что при конъюгации одна из клеток (мужская F+) служит донором, другая (женская   F-) — реципиентом.  Донорные клетки несут особый фактор F (фрагмент молекулы ДНК; автономно существует в цитоплазме и содержит около 10 пар нуклеотидов), являющийся нехромосомной структурой. Реципиенты этого фактора не имеют.

Процесс конъюгации и механизм переноса генетического материала был описан у бактерий Е. coli в 1955 г. В. Вольманом и Ф. Жакобом. Они показали, что при конъюгации фактор F может переходить из мужской клетки в женскую и превращать ее в F+. При этом другие свойства бактериальной клетки не изменяются. Передача полового фактора происходит как бы независимо от других генетических маркеров. Клетки штаммов F- внутри себя не рекомбинируют.

При обратной мутации половой фактор у бактерий может вновь приобрести автономное состояние. Освобожденный из хромосомы, подобно профагу, он иногда захватывает фрагмент бактериальной хромосомы, прилегающий к нему, и при конъюгации вместе с ним переходит в женскую клетку, сообщая ей свойства донорной клетки и некоторые другие свойства, контролируемые фрагментом хромосомы. Такой процесс переноса наследственной информации из одной бактериальной клетки в другую посредством полового фактора называется сексдукцией.

Таким образом, половой фактор является саморедуплицирующим генетическим элементом, способным существовать в двух состояниях: автономном и интегрированном в хромосому. Такие участки генетического материала получили название эписом.

3. Репликация ДНК

Уотсон и Крик уже во второй своей работе 1953 года предположили возможный механизм копирования наследственного материала. Легко представить, что цепи молекулы ДНК расходятся и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две дочерние двуспиральные молекулы ДНК, неотличимые от родительской молекулы.

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм копирования называется полуконсервативным. В то же время обсуждались две другие модели, одна из них "консервативная" другая "дисперсионная" (Рисунок). Доказали существование полуконсервативной модели М. Мезелсон и Ф. Сталь в 1958 году. Авторы выращивали бактерии Е. coli несколько поколений на минимальной среде, в которой единственным источником азота был 15NH4C1 (хлорид аммония). В этом соединении нормальный изотоп 14N, был заменен на 15N. В результате все клеточные компоненты бактерий, включая пурины и пиримидины в молекулах ДНК содержали более тяжелый азот 15N. Затем клетки переносили на среду, содержащую изотоп 14N. Через 1 или 2 поколения выделяли ДНК и центрифугировали в градиенте CsCl. Фракции, содержащие легкие или тяжелые цепи, а так же гибридные 15N/14N, легко отделялись одна от другой.

В 1957 году Артур Корнберг (в 1959 году Артуру Корнбергу (Arthur Kornberg) была присуждена Нобелевская премия за открытие механизма биосинтеза ДНК) обнаружил у бактерии Е. coli фермент, катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов – ДНК-полимеразу. Открытие Корнберга показало, что в основе удвоения молекул ДНК лежат обычные биохимические реакции. По современным представлениям в репликации ДНК у прокариот выделяют следующие этапы: 1. Релаксация суперспирализованной ДНК. Этот процесс катализируется ферментом топоизомеразой.  2. Денатурация двойной спирали ДНК.

Поскольку синтез ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать обязательное разделение двух цепей ДНК. Участок начала расхождения цепей называется репликационной вилкой из-за характерной Y-образной формы. Именно в этой репликационной вилке ДНК-полимеразы синтезируют дочерние молекулы ДНК.

Модели репликации ДНК:

а - полуконсервативная, б - консервативная, в - дисперсионная.

Родительские цепи изображены в виде красных лент, вновь синтезированные

показаны синим цветом.

Участок ДНК, в котором репликация уже завершилась, выглядит как пузырек или "глазок" в нереплицированной ДНК. Репликационные глазки образуются в тех местах, где находятся специфические последовательности – точки начала репликации (origin of replication). Они состоят примерно из 300 нуклеотидов. С ориджина ими связываются инициаторные белки репликации.

Для того, чтобы цепи ДНК разъединились, функционирует особый фермент – ДНК-хеликаза, который связывается с инициаторными белками. Этот фермент движется по одиночной цепи ДНК и, встречая участок двойной спирали, он разрывает водородные связи между основаниями, разделяет цепи и продвигает репликационную вилку.

Субстратом для ДНК-полимеразы являются дезоксирибонуклеозид-трифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочечной матрице. ДНК-полимеразы последовательно наращивают одну нить ДНК, шаг за шагом присоединяя к ней следующие звенья в направлении от 5' к 3' концу. В клетках присутствуют несколько разных типов ДНКполимераз, выполняющих различные функции и имеющих разное строение: они могут быть построены из различного количества белковых цепей (субъединиц), от одной до десятков. Однако, все они работают на любых последовательностях нуклеотидов матрицы; задача этих ферментов - сделать точную копию каждой матрицы.

Генетический материал живых организмов имеет огромные размеры и реплицируется с высокой точностью. В среднем, в процессе воспроизведения генома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной 3 млрд. пар нуклеотидов, возникает не более трех ошибок. При этом ДНК синтезируется чрезвычайно быстро (скорость ее полимеризации колеблется в пределах от 500 нуклеотидов в секунду у бактерий до 50 нуклеотидов в секунду у млекопитающих).

Высокая точность репликации, наряду с ее высокой скоростью, обеспечивается наличием специальных механизмов, осуществляющих коррекцию, т.е. устраняющих ошибки.

Суть механизма коррекции заключается в том, что ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи, второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид. Очередная фосфодиэфирная связь синтезируется лишь в том случае, если последний нуклеотид растущей цепи ДНК образовал правильную уотсон-криковскую пару с соответствующим нуклеотидом матрицы.

Строение репликационной вилки

ДНК-полимеразы не могут начинать синтез ДНК на матрице, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концу уже имеющейся полинуклеотидной цепи. Такую заранее образованную цепь, к которой добавляются нуклеотиды, называют затравкой (или праймером). Короткую РНК-затравку синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов фермент, не обладающий корректирующей активностью и называемый ДНК-праймазой. Праймазная активность может принадлежать либо отдельному ферменту, либо одной из субьединиц ДНК-полимеразы.

Установлено, что дочерние цепи ДНК растут только в направлении 5'→3', т.е. всегда удлиняется 3'-конец затравки, а матрица считывается ДНК-полимеразой в направлении 3'→ 5'.

Синтез ДНК происходит непрерывно только на одной из матричных цепей. На второй цепи ДНК синтезируется сравнительно короткими фрагментами - от 100 до 1000 нуклеотидов, названными "фрагментами Оказаки" по имени открывшего их ученого - Тунеко Оказаки.

С одиночными цепями ДНК связываются специальные белки, дестабилизирующие спираль (SSB -single strand binding proteins). Они не позволяют им сомкнуться. Для того, чтобы репликационная вилка могла продвигаться вперед, вся еще не удвоенная часть ДНК должна была бы очень быстро вращаться. Белки ДНК-топоизомеразы вносят одноцепочечные или двуцепочечные разрывы, позволяющие цепям ДНК разделиться, а затем заделывают эти разрывы. На рисунке ниже показано расположение цепей и молекул ферментов во время репликации.

Спираль расплетается ДНК-хеликазой; этому процессу помогают
ДНК-топоизомераза, раскручивающая цепи ДНК, и множество молекул
дестабилизирующего белка (
SSB), связывающихся с обеими одиночными
цепями ДНК. В области вилки действуют две ДНК-полимеразы - на
ведущей и отстающей цепи. На ведущей цепи ДНК-полимераза
работает непрерывно, а на отстающей фермент время от времени прерывает
и вновь возобновляет свою работу, используя короткие РНК-затравки,
синтезируемые ДНК-праймазой.

Расположение основных белков в репликационной вилке

Молекула ДНК-праймазы непосредственно связана с ДНК-хеликазой, образуя  структуру, называемую праймосомой. Праймосома движется в направлении раскрывания репликационной вилки и по ходу движения синтезирует РНК-затравку для фрагментов Оказаки. В этом же направлении движется ДНК-полимераза ведущей цепи и ДНК-полимераза отстающей цепи. Для этого, как полагают, последняя накладывает цепь ДНК, которая служит ей матрицей, саму на себя, что и обеспечивает разворот ДНК-полимеразы отстающей цепи на 180 градусов. Согласованное движение двух молекул ДНК-полимераз обеспечивает координированную репликацию обеих нитей.

Всего в репликационной вилке одновременно работает около двадцати разных белков.

Процесс репликации хромосомы бактерий начинается в точке начала репликации и продолжается до тех пор, пока не удвоится вся ДНК хромосомы.

 Молекулярно-биологические процессы, происходящие во время
репликации ДНК, в основном похожи у эукариот и прокариот. Если
бактериальная хромосома представляет собой единицу репликации – репликон,
то репликация ДНК эукариотической хромосомы осуществляется посредством разделения ее на множество отдельных репликонов. Полагают, что у эукариот гомологами ориджинов начала репликации являются автономно реплицирующиеся последовательности или
ARS (autonomously replicating sequences). 

По эукариотической хромосоме в каждый момент времени может двигаться независимо друг от друга множество репликационных вилок. Остановка продвижения вилки происходит только при столкновении с другой вилкой, движущейся во встречном направлении, или по достижении конца хромосомы. В результате вся ДНК хромосомы в короткий срок оказывается реплицированной.

Репликоны у эукариот имеют существенно меньшие размеры, чем у прокариот (хотя в пределах генома одного вида они могут варьировать в размерах в 10 раз). Скорость репликации существенно ниже у эукариот. 

4. Репарация ДНК

В любой клетке под влиянием различных факторов в ДНК ежедневно происходят тысячи случайных изменений, а за год в каждой клетке накапливается лишь очень небольшое число стабильных изменений нуклеотидной последовательности ДНК. Среди множественных случайных замен оснований в ДНК лишь одна на тысячу приводит к возникновению мутации. Все остальные повреждения очень эффективно ликвидируются в процессе репарации ДНК. Механизм репарации («залечивание» повреждений ДНК) основан на том, что молекула ДНК имеет две копии генетической информации – по одной в каждой из нитей молекулы. Основной путь репарации включает три этапа:

- измененный участок поврежденной цепи ДНК распознается и удаляется с помощью ДНК-репарирующих нуклеаз. В спирали ДНК в этом месте возникает брешь;

- ДНК-полимераза и гликозилазы заполняют эту брешь, присоединяя нуклеотиды один за другим, копируя информацию с целостной нити;

- ДНК-лигаза «сшивает» разрывы и завершает восстановление молекулы.

Нарушение репарации у людей, пораженных пигментной ксеродермой (повышенная чувствительность к солнечному свету), приводит к раку кожи. Активность УФ-эндонуклеазы, необходимая для репарации, при этом отсутствует. Если подавляются репарационные системы, то мутагенез усиливается.

Литература

Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.

Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.

Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

 


МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ (4 часа)

Лекция 11

Генетический код. Биосинтез белка.

Передача информации в клетке

Цель лекции: ознакомить учащихся с процессами транскрипции и трансляции, познакомить с особенностями генетического кода и передачей информации в клетке.

План лекции:

1. Транскрипция

2. Генетический код

3. Трансляция

4. Передача информации в клетке

1. Транскрипция

Передача информации от ДНК осуществляется посредством информационной или матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК). Синтез мРНК называется транскрипцией. Молекула мРНК, комплементарная одной из цепей матричной ДНК, образуется в ходе сополимеризации четырех рибонуклеозидтрифосфатов (аденин-, гуанозин-, цитозин- и урацилтрифосфата) с образованием 3-5-фосфодиэфирных связей и освобождением неорганического пирофосфата. Транскрипцию осуществляет фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза. Синтез мРНК молекулами РНК-полимеразы начинается в определенных местах ДНК, называемых промоторами, и завершается на особых нуклеотидных последовательностях – терминаторах. Совокупность нуклеотидов ДНК, заключенных между промотором и терминатором, называют транскрипционной единицей или транскриптоном. 

Процесс транскрипции подразделяют на 4 стадии: связывание РНК-полимеразы с ДНК и распознавание промотора, инициация, элонгация и терминация. Предполагается, что после первоначального непрочного связывания с ДНК в случайном месте молекула РНК-полимеразы перемещается вдоль двойной спирали ДНК до тех пор, пока не обнаружит последовательность нуклеотидов промотора. В этом месте связывание молекулы фермента с ДНК становится более прочным. Инициация транскрипции начинается с образования на промоторе предъиниционного комплекса, состоящего из РНК-полимеразы и матричной ДНК. После сборки предъинициационный комплекс претерпевает температурно-зависимые конформационные изменения, которые сопровождаются локальным плавлением, то есть расплетением двойной спирали ДНК, и комплекс становится способным к транскрипции. При наличии рибонуклеозидтрифосфатов происходит образование первых фосфодиэфирных связей в молекуле синтезируемой мРНК, после чего начинается стадия элонгации, то есть последовательное удлинение синтезируемой молекулы мРНК.

В 1992 г. М. Чэмберлен с сотрудниками разработали общую модель элонгации мРНК, согласно которой перемещение РНК-полимеразы вдоль ДНК и присоединение нуклеотидов к растущей цепи мРНК в активном центре фермента разделены во времени. Это разделение возможно потому, что у РНК-полимеразы имеется два сайта (участка), удерживающих растущую цепь мРНК, и два участка связывания ДНК-матрицы. Молекула РНК-полимеразы перемещается вдоль ДНК подобно гусенице: когда один сайт связывания ДНК фиксирован, другой перемещается вперед. ДНК-зависимые РНК-полимеразы фагов, состоящие из одной субъединицы, синтезируют РНК в условиях in vitro со скоростью 200-400 нуклеотидов в секунду. При перемещении фермента вдоль матрицы цепи ДНК подвергаются плавлению и повторному отжигу, в результате которого восстанавливается исходная структура ДНК. Стадия элонгации заканчивается после достижения РНК-полимеразой терминатора транскрипции. Затем синтезированная РНК и РНК-полимераза освобождаются из транскрипционного комплекса. Только минус-цепь ДНК служит матрицей для синтеза мРНК.

Участки ДНК, несущие информацию о строении белка – экзоны, разделены неинформативными интронами. В процессе транскрипции считывается информация как с экзонов, так и с интронов. Образуется предшественник мРНК - про-мРНК. Молекулы про-мРНК претерпевают созревание – процессинг. В ядре из про-мРНК происходит вырезание интронов и объединение экзонов – сплайсинг. После этого мРНК соединяется с белком, образуя инфорсому. Она выходит через поры в ядерной оболочке в цитоплазму. мРНК высвобождается из инфорсомы и одноцепочечная неспирализованная молекула мРНК присоединяется к участку малой субъединицы рибосомы, который примыкает к большой субъединице. К рибосоме прикрепляется небольшой участок цепи мРНК, содержащий один кодон, состоящий из трех азотистых оснований. Один кодон соответствует одной аминокислоте.

2. Генетический код

В любом данном участке ДНК только одна из двух нитей ДНК кодирует аминокислоты, поэтому код – это последовательность нуклеотидов, а не пар нуклеотидов. Генетический код имеет следующие свойства:

1. Генетический  код   читается группами по три нуклеотида, т.е. код триплетный. Каждый триплет кодирует аминокислоту,      каждый      триплет называется кодоном.

2. Основные закономерности организации генетического кода были открыты с помощью генетического анализа района II фага Т6. В 1961 г. Ф. Крик и его коллеги показали, что код должен читаться неперекрывающимися триплетами с фиксированной стартовой точки.

а) неперекрывание подразумевает, что каждый кодон состоит из трех нуклеотидов и каждый последующий кодон представлен следующими тремя нуклеотидами.

б) Фиксированная стартовая точка означает, что считывание начинается на одном конце и завершается на другом; различные части кодирующей последовательности не могут считываться  независимо друг от друга.

Началом трансляции любого гена является кодон AUG. В конце гена обязательно стоят кодоны UAA, UAG или UGA, которые не кодируют аминокислот и являются сигналами на окончание синтеза белка - стоп-кодоны. Для повышения  надежности процесса терминации стоп-кодоны обычно дублируются. Первым при этом, как правило, выступает кодон UAA   (основной   терминирующий триплет), а вслед за ним на очень
близком расстоянии в той же рамке считывания следует один из запасных
терминирующих триплетов -
UAG или UGA.

Таблица – Соответствие кодонов генетического кода аминокислотам белка

Первая буква в кодоне (5')

Вторая буква в кодоне

Третья буква в кодоне

(3')

U

С

А

G

U

Фен (F) Фен (F) Лей (L) Лей (L)

Сер (S) Сер (S) Сер (S) Сер (S)

Тир (Y) Тир (Y) Stop Stop

Цис (С) Цис (С) Stop Трп (W)

U с

А G

С

Лей (L) Лей (L) Лей (L) Лей (L)

Про (Р) Про (Р) Про (Р) Про (Р)

Гис (Н) Гис (Н) Глн (Q) Глн (Q)

Apr (R) Apr (R) Apr (R) Apr (R)

U 

С

А G

А

Иле (I) Иле (I) Иле (I)

Мет (М)

Тре (Т) Тре (Т) Тре (Т) Тре (Т)

Ach(N) Ach(N) Лиз (К) Лиз (К)

Сер (S) Сер (S) Apr (R) Apr (R)

U 

С

А G

G

Вал(У) Вал(У) Вал(У) Вал(У)

Ала (А) Ала (А) Ала (А) Ала (А)

Асп (D) Асп (D) Глу (Е) Глу (Е)

Гли (G) Гли (G) Гли (G) Гли (G)

U 

С

А G

Примечание

U - урацил, С - цитозин, А - Аденин, G - гуанин, F, L, I и т.д. - однобуквенные сокращения названий аминокислот, Фен, Сер и т.д. -трехбуквенные сокращения. Кодоны UAA, UAG, UGA - не кодируют аминокислот. Эти кодоны являются сигналами терминации трансляции - стоп-кодонами

в) Если генетический код считывается неперекрывающимися триплетами, есть только три возможности транслирования нуклеотидной последовательности в аминокислотную, в зависимости от стартовой точки. Эти три возможности называют рамками считывания.

Мутация, в результате которой инсертируется или делетируется один нуклеотид и изменяется рамка считывания всей последующей последовательности, называется сдвигом рамки. Поскольку последовательность новой рамки считывания полностью отлична от первоначальной, вся аминокислотная последовательность будет измененной ниже мутации. Функция такого белка полностью утрачена.

Дополнение

Проблема кодирования в молекулярной биологии была впервые поставлена Г. Гамовым еще в начале 50х годов, т.е. задолго до открытия самой мРНК. Размышляя над тем, как линейная последовательность четырех различных нуклеотидов может определить последовательность двадцати разных аминокислот в белке, Гамов предположил, что генетический код является триплетным. Он же поставил вопросы и о других свойствах генетического кода: перекрываемости, запятых между кодонами, вырожденности.

3. Генетический код является вырожденным, в том смысле, что одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов (Таблица). Однако, кодоны используются не с одинаковой частотой. Например, у дрозофилы, в результате параллельного изучения последовательностей кодонов в генах и аминокислот, кодированных ими, при этом суммарная длина генов соответствовала 269 т.п.н., было показано, что кодоны используются с разными частотами.

Дополнение

В 1968 году за открытие и интерпретацию генетического кода и его функции в белковом синтезе Нобелевская премия была присуждена Р. Холли, X. Г. Хоране и М.В. Ниренбергу.

4. Генетический код универсален, в том смысле, что определённому кодону соответствует определённая аминокислота. Например, AUG-кодон кодирует метионин у любого организма. Однако, по мере расширения круга объектов молекулярной генетики стали накапливаться исключения, сделавшие код "квазиуниверсальным". Касается это прежде всего митохондриальных геномов.

3. Трансляция

Трансляция (перевод) – процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Это второй этап белкового синтеза, осуществляемый последовательной поликонденсацией отдельных аминокислотных остатков, начиная с аминоконца полипептидной цепи к карбоксильному концу.

Зрелая матричная РНК выходит в цитоплазму, где осуществляется процесс транскрипции – декадирование мРНК в аминокислотную последовательность белка. Процесс декадирования осуществляется в направлении от 5`→3` и происходит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой. Подобно транскрипции механизм трансляции состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, который при локализации в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к полисоме транспортная РНК (тРНК),  специфичная к данной аминокислоте. тРНК выполняет роль посредника между кодоном мРНК и аминокислотой. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) по принципу спаривания комплементарных азотистых оснований. тРНК, которая подходит к малой субчастице, образует связь кодон-антикодон, при этом одновременно передает свою аминокислоту в аминоацильный участок (А-участок) большой субъединице. К кодону АУГ «подходит» антикодон только той тРНК, которая переносит метионин. Поэтому прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем кодон АУГ переходит на пептидильный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслирующая рибосома – инициирующий комплекс.

Элонгация – это последовательное включение аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трех этапов:

- узнавание кодона, которое заключается в связывании антикодона с очередной молекулой тРНК, несущей аминокислоту, с кодоном свободного А-участка на рибосоме;

- образование пептидной связи, которое происходит лишь тогда, когда оба участка А и Р заняты молекулами тРНК.  Часть большой субъединицы рибосомы – фермент пептидилтрансферазу, катализирующий образование пептидной связи;

- транслокация, где тРНК участка Р, не связанная с пептидом, покидает рибосому. Затем молекула тРНК с полипептидом переходят из А на Р-участок и, наконец, рибосома перемещается вдоль РНК на один кодон.

Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам.

Каждая мРНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни молекулы мРНК около 2 мин. Разрушая старые и образуя новые мРНК, клетка может довольно строго регулировать как тип продуцируемых белков, так и их количество. Это регуляция синтеза белка на уровне транскрипции. У эукариот возможна регуляция и на уровне трансляции.

Синтез белка – один из существеннейших показателей жизни.

4. Передача информации в клетке

Современные представления о роли ДНК в передаче наследственной информации лучше всего отражает "Центральная догма молекулярной биологии", сформулированная Ф. Криком в 1970 году.

Автор предложил разделить все виды переноса биологической информации в клетке на три группы:

1. Процессы, существование которых уже показано: ДНК → ДНК, ДНК → РНК, РНК → белок, РНК → РНК.

2. Процессы, которые не были экспериментально выявлены и с теоретической точки зрения не казались строго необходимыми: РНК → ДНК, ДНК → белок.

3. Невозможные переносы: белок → белок, белок → РНК, белок → ДНК.    Таким   образом, информация во всех случаях в клетке переносится однонаправленно по цепи: ДНК →РНК → белок. Белок не может служит матрицей для синтеза ДНК или РНК, поскольку у молекул белка нет свойства комплементарности отдельных частей молекулы, что бы позволяло использовать её как матрицу.

"Центральная догма молекулярной биологии". Сплошные стрелки показывают обычный путь переноса генетической информации, пунктирной - более редкие пути, также существующие в природе

Синтез одной молекулы белка, состоящего из 150 аминокислот, идет примерно за
1,5 минуты, т. е. со скоростью 2 аминокислоты в секунду. Он зависит от многих факторов. Например, состояние рибосомы может оказать влияние на считывание информации. Рибосома «читает с ошибками», если на нее воздействовать какими-либо внешними факторами, к примеру облучением, химическими веществами, способными изменять структуру и функцию рибосомы.

Однако если переносы типа ДНК→ДНК, ДНК→РНК, РНК→РНК и РНК→белок имели экспериментальные прямые или непрямые доказательства, то в пользу других переносов доводов и теоретических обоснований в то время не было.

Изучение механизмов взаимодействия с клеткой опухолеродных вирусов натолкнуло на мысль о возможности существования иных типов связей. В 1969-1971 гг. Р. Дульбеко экспериментально доказал, что ДНК опухолеродного вируса прочно связывается с ДНК клетки, находя в ее хромосомах тайное убежище. Но опухолеродные вирусы делятся на две большие группы: ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Включение вирусной ДНК в ДНК клетки и их интеграцию представить легко. Но как применить эту гипотезу к РНК-содержащим вирусам?

В 60-х годах Г. Темин высказал предположение, согласно которому «жизненный цикл» РНК-содержащих опухолеродных вирусов должен включать стадию образования ДНК-продукта — провируса. Это явно противоречило центральной догме молекулярной биологии, гласившей, что генетическая информация передается только в одном направлении: ДНК→РНК→белок. Если допустить, что существует и путь РНК→ДНК, то в клетке должен быть и специальный фермент, участвующий в синтезе такого рода. В 1970 г. Г. Темин и С. Мизутани обнаружили в составе вируса саркомы Рауса (РНК-содержащий вирус) фермент, способный синтезировать ДНК на матрице РНК. Этот фермент назвали обратной транскриптазой или РНК-зависимой ДНК-полимеразой (ревертазой, по В. А. Энгельгардту). Одновременно Д. Балтимор обнаружил фермент, синтезирующий ДНК, у вируса миелобластоза птиц. Ревертаза в настоящее время найдена во всех без исключения РНК-содержащих опухолеродных вирусах. В 1975 г. Р. Дульбеко, Г. Темину и Д. Балтимору была присуждена Нобелевская премия за открытие процесса передачи наследственной информации, который получил название обратной транскрипции. Формула центральной догмы молекулярной биологии дополнилась:

  ДНК   ← →  РНК  →   белок

Процесс обратной транскрипции состоит из двух этапов. Сначала на РНК-матрице синтезируется нить ДНК, т. е. образуется промежуточный продукт реакции, состоящий из гибридных молекул, одна нить которых — вирусная РНК, другая — комплементарная ей синтезированная нить ДНК. На ДНК-вой нити гибридной молекулы синтезируется вторая нить ДНК и получается конечный продукт реакции — двухцепочечная спиральная молекула ДНК, содержащая генетическую информацию, полностью переписанную с вирусной РНК. Оба этапа осуществляются, по-видимому, одним и тем же вирусным ферментом, точнее, его активным центром, т. е. ревертаза обладает и РНК-зависимой и ДНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью и ведет всю реакцию от начала до конца.

Открытие ревертазы натолкнуло на мысль, что путем выявления ее в клетках можно осуществлять раннюю и быструю диагностику злокачественных опухолей и лейкозов. Однако вскоре обнаружилось, что ревертазы свойственны и тканям здоровых, не зараженных вирусами организмов. Особенно много их оказалось в эмбриональных клетках. Тем не менее существуют количественные различия ревертаз в опухолевых и нормальных клетках, за исключением эмбриональных. Установлены также различия в активности и физико-химических свойствах ревертаз онкогенных вирусов и нормальных клеток. Несомненно, обратная транскрипция нужна для злокачественной трансформации.

Наличие ревертазы во всех нормальных клетках свидетельствует о возможности передачи информации от РНК к ДНК. Но с какой целью? Отмечено, что на определенной стадии эмбриогенеза в клетках амфибий резко возрастает число генов, кодирующих рибосомальную РНК. Вместо двух копий (2 гомологичные хромосомы) в клетках обнаруживается по несколько сотен копий каждого гена, которые определенный период эмбриогенеза функционируют изолированно от хромосомы, а затем разрушаются. В 1971 г. Тартоф открыл такое же явление и у дрозофилы. Оно было названо амплификацией генов. Механизм амплификации не известен. Однако установлено, что в условиях повышенного требования синтеза белка в клетке происходит размножение генов рибосомальной РНК методом обратной транскрипции. Это обеспечивает синтез РНК не на хромосомной матрице, а на матрице генов, образующихся в цитоплазме. Очевидно, амплификация генов играет существенную роль в регуляции феногенетических процессов и происходит всегда, когда требуется увеличить количество белка.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
    Л. С. Чернин.
     – М.: Высш. шк., 1985.
  3.  Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.
  4.  Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.
  5.  Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
  6.  Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
    В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.

 


ИЗМЕНЧИВОСТЬ (6 часов)

Лекция 12

Изменчивость, комбинативная и мутационная изменчивость

Цель лекции: ознакомить учащихся с классификацией изменчивости, познакомить с понятиями о наследственной и ненаследственной изменчивости.

План лекции:

1. Классификация изменчивости. Понятие о наследственной и ненаследственной изменчивости.

1.1 Изменчивость наследственного материала

1.2 Ненаследственная изменчивость

1.3 Наследственная изменчивость

2. Мутационная теория и классификация мутаций

3. Генеративные и соматические мутации.  Прямые и обратные мутации

4. Множественные аллели

5. Условные мутации

1. Классификация изменчивости. Понятие о наследственной и ненаследственной изменчивости.

1.1 Изменчивость наследственного материала

Наследственность и изменчивость являются важнейшими факторами эволюции всего живого на Земле. Под наследственностью понимают свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность в ряду поколений, а также определять уникальный характер индивидуального развития в специфических условиях среды. Явления наследственности и изменчивости лежат в основе всех жизненных проявлений. Наследственность обеспечивает сходство морфологических характеристик, механизмов развития и жизнедеятельности, а структурно-функциональное разнообразие особей любого вида зависит от другого фундаментального свойства живых организмов — изменчивости.

Под изменчивостью понимают свойство живых организмов приобретать в процессе индивидуального развития (онтогенеза) новые морфо-функциональные признаки и особенности, отличающиеся от родительских.

Различают два вида изменчивости: наследственную и ненаследственную. Первая имеет отношение к изменениям в наследственном материале, вторая – является результатом реагирования организма на условия окружающей среды.

Наследственную изменчивость подразделяют на мутационную и комбинативную. Первопричиной мутационной изменчивости являются мутации. Их можно определить как наследуемые изменения генетического материала. Изменчивость, вызываемая расщеплением и перекомбинацией мутаций, и обусловленная тем, что гены существуют в разных аллельных состояниях, называется комбинативной. 

С эволюционной точки зрения различают два вида биологической изменчивости: групповую изменчивость, под которой понимают различия между популяциями, этносами или расами, и индивидуальную изменчивость, т.е. различия между особями одной популяции. Примерами групповой изменчивости могут служить различия в окраске кожных покровов у африканцев и европейцев, характер оволошения и структуры волос, разрез глаз и многие другие признаки, различающие представителей различных рас.

Индивидуальная изменчивость гораздо шире групповой. Она включает все различия между конкретными индивидами по характеру, темпераменту, цвету глаз, наличию определенной группы крови, особенностям внешнего облика, росту, телосложению и т.д.

Процессы, определяющие изменчивость, неоднородны. Одни из них могут проявляться только в виде вариации признаков, т. е. только как изменение признака; другие затрагивают генетический аппарат.

Соответственно этому выделяют фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную) изменчивость.

1.2 Ненаследственная изменчивость

При фенотипической изменчивости наследственный материал в изменения не вовлекается. Они касаются только признаков индивида и происходят под действием факторов внешней и внутренней среды. Подобные изменения не передаются по наследству, даже если они обусловлены постоянным воздействием на протяжении исторически длительного времени. Например, у некоторых народов известны ритуалы, связанные с нанесением специфических повреждений: протыкание носовой перегородки или губ, удаление зубов (клыков), уродование ступней или костей черепа. Подобные изменения, как известно, не наследуются. Если изменения признака являются реакцией на действие определенного фактора и по выраженности не выходят за пределы нормы реакции, то такие изменения называют модификационными. Наиболее четко модификационная изменчивость проявляется как реакция организма на изменения факторов среды: например, географических условий проживания, интенсивности солнечной радиации, характера питания и т.д. Модификационная изменчивость имеет адаптивное (приспособительное) значение. В тех случаях, когда изменения появляются в результате действия большого количества факторов, их называют случайными.

Одним из проявлений модификационной изменчивости является феномен фенокопирования. Термин «фенокопия» был предложен для обозначения признаков, болезней или пороков развития, возникающих под воздействием определенных условий среды, но фенотипически (клинически) похожих на такие же состояния, обусловленные генетическими факторами  мутациями.

Таким образом, фенокопия — это признак, развивающийся под действием средовых факторов, но лишь копирующий наследственно обусловленный признак.

Окраска кожных покровов африканцев характеризуется выраженной пигментацией, даже если человек не подвергается воздействию солнечных лучей. Кожа европейцев, как правило, пигментирована лишь в слабой степени, но становится смуглой под действием солнечного света. Таким образом, загорелые, но наследственно светлокожие индивиды представляют собой как бы «копии» генетически темнокожих людей.

Известно большое число клинических примеров, иллюстрирующих ситуации, когда определенный фенотип может являться продуктом конкретного генотипа, а может быть фенокопией, т.е. развиваться под действием факторов среды. Например, слепота, обусловленная помутнением хрусталика глаза (катаракта), может быть вызвана механическими повреждениями, или действием ионизирующего излучения, или в результате внутриутробного поражения вирусом краснухи. Но развитие катаракты может вызвать специфический ген без какого-либо дополнительного внешнего воздействия на организм.

Слабоумие может быть обусловлено специфическим генотипом (например, генной или геномной мутацией), но может развиться при отсутствии йода в рационе ребенка или в результате повреждающего воздействия цитомегаловирусной инфекции на мозг плода во время внутриутробного развития.

1.3 Наследственная изменчивость

Сформировавшиеся новые признаки могут служить основой для эволюции вида при условии их наследования.

Если бы все члены вида были идентичны по какому-либо признаку, то отбор отсутствовал, поскольку не было бы точки приложения его действия. Явление изменчивости, таким образом, обеспечивает возможность естественного отбора. Однако для эволюции требуется не просто изменчивость, а наследуемая изменчивость, для того чтобы имелась возможность распространить полезные или удалить вредные для вида возникшие изменения. При этом для эволюционных преобразований генетической структуры вида самым важным является то, что различающиеся по генетической конституции особи оставляют различное число потомков. Этим определяется основной механизм эволюции.

Генотипическая изменчивость в зависимости от природы клеток подразделяется на генеративную (изменения в наследственном аппарате гамет) и соматическую (изменения в наследственном аппарате клеток тела). В рамках генеративной и соматической изменчивости выделяют 1) комбинативную и 2) мутационную изменчивость.

Комбинативная изменчивость возникает в генотипах потомков вследствие случайной перекомбинации аллелей. Сами гены при этом не изменяются, но генотипы родителей и детей различны. Комбинативная изменчивость возникает в результате нескольких процессов:

а) независимого расхождения хромосом в процессе мейоза;

б) рекомбинации генов при кроссинговере;

в) случайной встречи гамет при оплодотворении.

Комбинативная изменчивость является главным источником наблюдаемого генетического разнообразия. Известно, что в геноме; человека содержится примерно 30-40 тыс. генов. Около трети всех  генов имеют более чем один аллель, т. е. являются полиморфными, Однако даже при наличии лишь небольшого числа локусов, содержащих по нескольку аллелей, только при рекомбинации (вследствие перемешивания генных комплексов) возникает колоссальное множество уникальных генотипов.

Так, только при 10 генах, содержащих по 4 аллеля каждый, теоретическое число уникальных диплоидных генотипов составляет 10 миллиардов!

Поскольку около одной трети генов в геноме человека являются полиморфными, то только за счет рекомбинации создается неисчерпаемое генетическое разнообразие человека. В свою очередь неповторимость генетической конституции во многом определяет уникальность и неповторимость каждого человека.

Мутационная изменчивость обусловлена мутациями (от лат. mutatio — изменение, перемена) — устойчивым изменением генетического материала и, как следствие, наследуемого признака. Переходных форм изменчивости по сравнению с исходным состоянием не наблюдается.

2. Мутационная теория и классификация мутаций

Мутационная теория зародилась в начале 20-го века в работах Г. де Фриза (1901-1903). По де Фризу мутация – это скачкообразное, прерывистое изменение наследственного признака. Суть мутационной теории де Фриза сводится к следующим положениям:

Мутация возникает дискретно, без переходов.

Новые формы константны.

3. Мутация является качественным изменением.

Мутации разнонаправлены (полезные и вредные).

Выявляемость мутаций зависит от размеров     выборки     изучаемых
организмов.

Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Мутационные изменения чрезвычайно разнообразны. Они могут затрагивать буквально все морфологические, физиологические и биохимические признаки организма, могут вызывать резкие или, наоборот, едва заметные фенотипические отклонения от нормы (рисунок).

Мутации у различных организмов

A. Мутация у кукурузы - "ленивая кукуруза" Б. Рецессивная, сцепленная с полом мутация отсутствия оперения у курицы B. Рецессивная мутация коротконогости у овцы. Справа и в центре гомозиготы, слева - гетерозигота. Г. Нормальная (слева), четырехкрылая форма (мутация гена ВХ-С) дрозофилы (в центре), муха с расставленными крыльями (доминантная мутация Dichaete) (справа)

Известно много принципов классификации мутаций. Фактически все авторы отмечают, что очень трудно создать хорошую классификацию мутаций, и что все существующие классификации очень схематичны.

/. По характеру воздействия на генотип:

Генные мутации или точечные.

Изменения хромосом или
хромосомные перестройки.

3. Изменения числа наборов хромосом.
//.
По характеру изменения фенотипа:

Летальные.

Морфологические.

Физиологические.

Биохимические.

Поведенческие.

Мутации, выявляемые только в электрофорезе.

///. По проявлению в гетерозиготе:

Доминантные.

Рецессивные.

IV. По способу индукции:

1. Спонтанные, т.е. возникающие без видимых причин или усилий со стороны экспериментатора. Обычно спонтанными называют мутации, причина возникновения которых неизвестна.

2. Индуцированные, т.е. возникшие   в результате какого-то воздействия.

Vo степени уклонения от нормального фенотипа:

В 1932 году Г. Меллер предложил классифицировать мутации по следующим категориям: гипоморфные, аморфные, антиморфные, неоморфные.

VI. По локализации в клетке:

1. Ядерные.

2. Цитоплазматические   (мутации внеядерных генов).

VII. По возможности наследования:

Генеративные, т.е. индуцированные в половых клетках.

Соматические, индуцированные в соматических клетках

3. Генеративные и соматические мутации.  
Прямые и обратные мутации

Мутации могут возникать в любой клетке многоклеточного организма. Те из них, которые возникают в клетках зародышевого пути, называются генеративными. Мутации, возникающие в других клетках, называют соматическими.

Генеративная мутация может возникнуть на любом этапе развития половых клеток. Если такая мутация возникает на ранних стадиях развития клеток зародышевого пути, она размножится во многих клетках, число которых будет пропорционально числу клеточных делений после возникновения мутации. В результате эта мутация будет представлена многими копиями, которые в совокупности называют пучком мутаций. Мутации, возникшие на последних этапах развития половых клеток, в сперматозоидах и яйцеклетках, только в этих клетках и представлены. 

Проявление мутантного   фенотипа  соматических мутаций также сильно зависит от стадии, на которой произошла мутация. Чем раньше мутация  возникает, тем  больший  эффект она  вызывает.

Соматические и генеративные мутации различаются главным образом
возможностью наследования: генеративные передаются по наследству. А у соматических мутаций два пути:
 если организм размножается исключительно половым путем, и клетки
зародышевого пути уже на ранних этапах развития обособляются от соматических,
соматические мутации не играют никакой роли в наследственности.
Другое дело,
если организм может размножаться бесполым путем, например, картофель. В
этом    случае    мутации    оказывают существенное влияние на потомство,
размножающееся  вегетативным  путем..

Не исключено, что соматические мутации имеют отношение к процессам старения человеческого организма, т.к. с возрастом может происходить накопление физиологических мутаций.

Обычно мутации от состояния дикого типа к новому состоянию называют прямыми, а от мутантного к дикому – обратными. Прямые и обратные мутации возникают с разной частотой. Наличие обратных мутаций свидетельствует о том, что при прямом мутировании ген не потерян, а произошло лишь изменение гена.

4. Множественные аллели

До сих пор мы рассматривали только два состояния гена: доминантное А и мутантное рецессивное а. На самом же деле один и тот же ген может изменяться во множество состояний, их может быть несколько десятков и более. Например, у дрозофилы известно около 150 мутаций гена vermilion, или около 350 мутаций гена white. При этом все мутации vermilion имеют одинаковый фенотип. Фенотипы мутантов гена white варьируют в очень широких пределах от нормального цвета глаз до полного отсутствия пигмента, т.е. полностью мутантных.

Мутации одного и того же локуса называют серией множественных аллелей, а само явление множественным аллелизмом. Генотип, гетерозиготный по двум мутантным аллелям (al/a2) одного и того же локуса называют компаундом.

Члены серии множественных аллелей не только по-разному определяют развитие признаков, но и вступают в разные доминантно-рецессивные отношения друг с другом, например, в случае контроля групп крови у человека.

У человека известны четыре группы крови: А, В, АВ, и 0. Если взять кровь от человека группы АВ, А или В и перелить другому человеку, имеющему кровь группы 0, то последний может погибнуть. Причина этого заключается в том, что эритроциты группы АВ содержат два антигена: группа А – антиген А, группа В – антиген В, группа 0 не содержит антигенов А и В. Сыворотка крови этих четырех групп содержит специфические антитела: группа 0 имеет два антитела – альфа и бета, группа А – антитело бета, группа В - антитело альфа, сыворотка группы АВ не имеет антител альфа и бета.

Данные таблицы показывают, что в ряде случаев группы крови оказываются несовместимыми. Происходит это потому, что антитело альфа агглютинирует эритроциты группы крови А и АВ, а антитело бета - эритроциты группы крови В и АВ. Если в крови реципиента с группой А окажется антиген В, то наступает слипание эритроцитов донора; то же происходит, если в кровь реципиента группы В попадают антигены донора А или АВ. Аллели А и В кодоминируют и доминируют над 0.

Установлены биохимические основы аллелизма при детерминации групп крови. Оказалось, что у всех индивидуумов образуется антиген 0 (или Н), который состоит из особой углеводной группы, которая добавляется к молекуле белка. Ген АВО кодирует фермент галактозилтрансферазу, который добавляет еще одну сахарную группу к антигену 0. Специфичность этого фермента определяет группу крови. Аллель А продуцирует фермент, использующий кофактор УДФ-N-ацетилгалактозу, что дает в итоге антиген А. Аллель В продуцирует фермент, использующий кофактор УДФ-галактозу, формируя антиген В. А и В варианты белка трансферазы различаются на 4 аминокислоты, которые по-видимому и влияют на опознание типа кофактора. 0-аллель представляет собой делецию части гена АВО, в результате чего активность гена не проявляется и 0-антиген не модифицируется. Это обстоятельство объясняет почему А и В аллели доминируют у АО и ВО гетерозигот: соответствующая трансферазная активность (А или В) создает А или В антиген. А и В аллели кодоминируют в гетерозиготе АВ, поскольку экспрессируются активности обеих трансфераз. Гомозигота 00 является нуль-аллелем, и поэтому не имеет ни одного антигена. Таким образом, на базе одного гена получается три аллеля.

Таблица - Реакция агглютинации эритроцитов между различными группами крови

Группа крови реципиента

Антигены эритроцитов

Антитела сыворотки

Реакция агглютинации сыворотки реципиента с эритроцитами четырех групп крови доноров

0

А

В

АВ

0

0

альфа и бета

-

+

+

+

А

А

бета

-

-

+

+

В

В

альфа

-

+

-

+

АВ

АВ

-

-

-

-

-

5. Условные мутации

В ряде случаев мутантный фенотип возникшей мутации становится видимым только при выполнении определенных условий. Этими условиями могут быть изменения температуры или условий существования.

Температурно-чувствительные мутации. Мутанты этого типа живут и развиваются нормально при одной (пермиссивной) температуре и проявляют отклонения при другой (рестриктивной). Например, мутация shi у дрозофилы. При 25° С мутанты не проявляют каких-либо отклонений, при 29° С – у них наступает полный паралич. Полагают, что в результате мутации происходит замена аминокислоты в молекуле белка, однако при одной температуре влияние этой мутации на конформацию молекулы не сказывается. При другой температуре конформация меняется, и тут оказывается, что в белке произошло нарушение структуры. Выделяют холодо-чувствительные (18°С) ts (temperature sensitive) мутации и теплочувствительные (29°С) ts-мутации. При этом температура, при которой сохраняется нормальный фенотип, составляет 25°С.

Мутации, чувствительные к стрессу. В данном случае мутанты развиваются нормально, если их не подвергнуть каким-либо стрессирующим воздействиям. Так, мутанты sesB (stress-sensitive) у дрозофилы не проявляют каких-либо отклонений. Если резко встряхнуть пробирку, у мух начинаются судороги и они неспособны двигаться.

Ауксотрофные мутации. Обычно бактерий высевают на чашки Петри, содержащие полную среду, в состав которой входят все необходимые питательные вещества, нужные для роста. Есть еще минимальная среда, состоящая из агара, воды, сахара и солей. Нормальные бактерии способны сами синтезировать необходимые им сложные органические соединения (витамины, аминокислоты, нуклеотиды) и могут жить на минимальной среде, а мутантные – не могут. Таких мутантов называют ауксотрофными. 

Литература

Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.

Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.

Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.


ИЗМЕНЧИВОСТЬ (6 часов)

Лекция 13-14

Мутации: генные, хромосомные, геномные. Модификационная изменчивость

Цель лекции: ознакомить учащихся с классификацией мутаций, познакомить с понятиями о генных, хромосомных и геномных мутациях.

План лекции:

1. Генные мутации.

2. Хромосомные перестройки.

2.1. Делеции.

2.2. Дупликации.

2.3. Инверсии.

2.3. Транслокации.

3.  Геномные мутации. Полиплоидия.

4. Автополиплоидия.

5. Аллополиплоидия (амфиполиплоидия).

6. Анеуплоидия.

7. Гаплоидия.

8. Системные мутации. Спонтанные мутации.

9.Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова.

10.Ненаследственная изменчивость.

1. Генные мутации

Генные мутации представляют собой молекулярные, не видимые в световом микроскопе изменения структуры ДНК. К мутациям генов относятся любые изменения молекулярной структуры ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность. Некоторые мутации не оказывают никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка. Другая (бόльшая) часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, не способного выполнять свойственную ему функцию. Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии.

Наиболее частыми моногенными заболеваниями являются: муковисцидоз, гемохроматоз, адрено-генитальный синдром, фенил-кетонурия, нейрофиброматоз, миопатии Дюшенна-Беккера и ряд других заболеваний. Клинически они проявляются признаками нарушений обмена веществ (метаболизма) в организме. Мутация может заключаться:

в замене основания в кодоне, это так называемая миссенс-мутация (от англ, mis — ложный, неправильный + лат. sensus —смысл) — замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводящая к замене аминокислоты в полипептиде;

в таком изменении кодонов, которое приведет к остановкесчитывания информации, это так называемая нонсенс-мутация (отлат. поп — нет + sensus — смысл) — замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводит к образованию кодона-терминатора(стоп-кодона) и прекращению трансляции;

нарушении считывания информации, сдвиге рамки считывания, называемом фреймшифтом (от англ, frame — рамка + shift —сдвиг, перемещение), когда молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи.

Известны и другие типы генных мутаций.

По типу молекулярных изменений выделяют:

делеции (от лат. deletio — уничтожение), когда происходит утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена;

дупликации (от лат. duplicatio — удвоение), т.е. удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов;

инверсии (от лат. inversio — перевертывание), т. е. поворот на 180° сегмента ДНК размерами от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов;

инсерции (от лат. insertio — прикрепление), т.е. вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

Молекулярные изменения, затрагивающие от одного до нескольких нуклеотидов, рассматривают как точечную мутацию.

Принципиальным и отличительным для генной мутации является то, что она 1) приводит к изменению генетической информации, 2) может передаваться от поколения к поколению.

Определенная часть генных мутаций может быть отнесена к нейтральным мутациям, поскольку они не приводят к каким-либо изменениям фенотипа. Например, за счет вырожденности генетического кода одну и ту же аминокислоту могут кодировать два триплета, различающихся только по одному основанию. С другой стороны, один и тот же ген может изменяться (мутировать) в несколько различающихся состояний.

Например, ген, контролирующий группу крови системы АВ0, имеет три аллеля: 0, А и В, сочетания которых определяют 4 группы крови. Группа крови системы АВ0 является классическим примером генетической изменчивости нормальных признаков человека.

Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, обусловленные подобными мутациями, называют генными, или моногенными, болезнями, т. е. заболеваниями, развитие которых детерминируется мутацией одного гена.

2. Хромосомные перестройки

2.1. Делеции

Делецией называют нехватку какого-то участка хромосомы. Так, если в нормальной        хромосоме        гены расположены в определенном порядке:

при потере фрагмента хромосом возможны два принципиальных варианта:

или

т.е. может быть потеряна средняя часть хромосомы (CD) или концевая (D-F).

 Гетерозиготные делеции цитологически   выявляются   из-за наличия петли в нормальном гомологе.

Делеции очень удобны для картирования генов в определенных участках хромосом. Этот метод картирования генов был предложен в 1935 году, а уже в 1938 году
X. Слизинска, используя серию перекрывающихся делеции, прокартировала ген white в X-хромосоме дрозофилы с точностью до одного диска политенной хромосомы.

Как правило, делеции удаляют довольно протяженные участки хромосом, и если даже ген локализован в ее пределах, точность этого картирования невелика. Для более точного цитологического картирования гена, т. е. непосредственно в хромосоме, используют серию перекрывающихся делеций.

Делеции можно картировать и генетически, с помощью кроссинговера. Для этого получают гетерозигот по серии мутаций в одной хромосоме и делеции в другой.

Делеции не могут быть очень длинными, поскольку чем длиннее деления, тем больше вероятность того, что в районе хромосомы, гомологичном удаленному делецией, находится летальная мутация. Кроме того, отсутствие слишком протяженного фрагмента хромосомы может привести к нарушению баланса в различных генетических системах.

2.2. Дупликации

 Дупликацией называют

(1) Нормальная хромосома

(2)   Дупликация   участка   ABC   -транспозиция

(3) Тандемная дупликация участка ABC

дополнительный наследственный материал, идентичный тому, который уже есть в геноме.

(4)     

Дупликация     (инсерционная транслокация)

В случае если фрагмент дуплицируется (ABC в хромосоме 2 или 4) и переносится в пределах одной хромосомы, такие дупликации называют транспозициями. Они имеют следующую номенклатуру:

(2) Dp(1;1) ABC или Тр(1;1) ABCдупликация {Dp) материала (ABC) первой   хромосомы   в   первой   же хромосоме (1;1).

(4) Dp(1;2) ABC или Тр(1;2) ABCдупликация материала ABC из первой хромосомы во второй хромосоме.

На цитологическом уровне у геторозигот по дупликации в хромосоме, несущей дупликацию, образуется петля из дуплицированного материала.

Дупликации широко используются для "перекрытия " мутантного действия леталей или делеций. Так, возникновение летали или делеций в X-хромосоме дрозофилы будет приводить к гибели самцов, несущих эту хромосому в гемизиготном состоянии. Однако, наличие материала X-хромосомы, содержащего нормальный аллель летали, дуплицированного и включенного в любую из хромосом (аутосому, Х- или Y-хромосому) делает самца жизнеспособным. Он становится носителем летали в единственной X-хромосоме и нормального аллеля в дупликации, и его можно скрещивать с самками. Например, нужно посмотреть аллельны ли две летали, для чего нужно получить гетерозиготу по двум деталям. Одна Х-хромосома у потомков может быть получена от самки, вторая – от самца, имеющего Х-хромосому и дупликацию.

2.3. Инверсии

Инверсия – это изменение на 180° порядка расположения группы генов в хромосоме.

Нормальная хромосома

Парацентрическая инверсия

Инверсии бывают пара- и перицентрическими. В случае парацентрической инверсии происходят два разрыва хромосом, оба по одну сторону от центромеры. Участок между точками разрывов поворачивается на 180°. В случае перицентрической инверсии точки разрывов расположены по обе стороны от центромеры.

нормальная хромосома

перицентрическая инверсия

Для обозначения инверсий у дрозофилы также разработана номенклатура: 1п(1)ВЕ, что значит: инверсия - In, в первой хромосоме (1), BE - инвертированный район.

У гомозигот по инверсиям кроссинговер происходит нормально. У особей, гетерозиготных по инверсии в хромосомах, образуется петля.

дицентрик

ацентрик

У гетерозигот по парацентрической инверсии (см. выше) происходит "запирание" кроссинговера следующим образом: в случае перекреста между генами С и D образуется два продукта: ацентрические и дицентрические хромосомы, т.е. без центромеры и с двумя центромерами, соответственно. 

Инверсионный полиморфизм в популяциях способствует накоплению
определенных мутаций под участками хромосом, перекрываемыми
 инверсиями.

2.3. Транслокации

Перестройки, в результате которых часть одной хромосомы переносится в состав другой, называются транслокациями. Они были открыты К. Штерном в 1926 году у дрозофилы.

Две хромосомы, которые несут гены и

в результате реципрокного обмена фрагментами могут образовать гетерозиготную транслокацию


Транслокации у дрозофилы обозначают следующим образом: Т(2;3)35А;71С, т.е. - Т - транслокация, (2;3) - между второй и третьей хромосомой, 35А;71С - точки разрывов на цитологических картах второй и третьей хромосом.

3.  Геномные мутации. Полиплоидия

Явление изменения числа хромосом в клетке называют полиплоидией.

Полиплоидия возникает в следующих случаях:

Неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе.

Деление ядра без деления клетки.

Удвоение хромосом без их разделения в силу того, что центромеры утрачивают свойство взаимного отталкивания.

Организмы, у которых произошло умножение целых гаплоидных наборов, называют собственно полиплоидами или эуплоидами. Полиплоиды, у которых число хромосом не является кратным гаплоидному, называют гетероплоидами или анеуплоидами. Если организм имел n=4 хромосомам, 2n=8, то тетраплоид имеет 16 хромосом. Если диплоид был гомозиготным, тетраплоид тоже будет гомозиготой. Если диплоид был гетерозиготным, тетраплоид - тоже гетерозиготный.

Полиплоидизация может возникать в результате митоза – это соматическая полиплоидия.

Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы – такая полиплоидия называется мейотической, все клетки зародыша будут полиплоидными.

Г. Винклер (1916) – впервые описал полиплоиды томатов и паслена.
К настоящему времени установлено, что 1/3 всех покрытосеменных растений
являются полиплоидами. Группа родственных видов, у которых наборы
хромосом составляют ряд возрастающего кратного увеличения числа хромосом, называется полиплоидным рядом, например, род
Triticum: Т. Топососсит 2п = 14 Т. durum (твердая)  2п = 28 Т. aestivum (мягкая) 2п = 42. Таким образом, основное число хромосом или наименьшее гаплоидное число в полиплоидном ряду, у пшениц составляет 7, а Т. топососсит называют диплоидом, Т. durum тетраплоидом и Т. aestivum гексаплоидом.

Соматическая полиплоидия распространена у всех видов, а зиготическая - главным образом у растений. У животных она встречается у червей (земляных и аскарид), а так же очень редко у некоторых амфибий.

4. Автополиплоидия

Полиплоиды, возникающие на основе умножения идентичных наборов хромосом, т.е. наборов хромосом того же вида, называют автополиплоидами.

Особенности мейоза автополиплоидов. В норме, у диплоидов, в профазе мейоза образуются биваленты, у тетраплоида в профазе кроме бивалентов образуются триваленты, униваленты и квадриваленты. У диплоида Аа (2п) образуются гаметы А и а в соотношении 1:1. У тетраплоида ААаа (4п) расхождение гомологичных хромосом возможно в соотношениях 2:2, 3:1; 1:3, 4:0; 0:4.

Автотетраплоид, гетерозиготный по аллелям АА/аа образует три типа гамет в отношении 1АА:4Аа:1аа.

1АА

4Аа

1аа

1АА

1АААА

4АААа

1AAaa

4Аа

4АААа

16 ААаа

4Аааа

1аа

1AAaa

4Аааа

1aaaa

Расщепление вместо 3:1 в F2, будет 35:1, т.е. при моногибридном скрещивании вероятность появления гомозиготных рецессивных форм во много раз ниже, чем у диплоидов. Поэтому селекционеру отбор по признакам рациональнее вести на низком уровне плоидности. Кроме правильного расхождения хромосом в мейозе у автотетраплоида возможно также расхождение хромосом в соотношении 3:1 и 4:0. При этом возникнут гаметы ААа и а, Ааа и А, а также ААаа и 0. Часть таких гамет

Диплоидный (а), триплоидный (б) и тетраплоидный (в) арбузы

нежизнеспособна. Тетраплоиды чаще всего имеют большую вегетативную массу (листья, пыльники, семена). Увеличены размеры клеток.

Однако, может резко уменьшиться плодовитость (до 5% от нормы) из-за нарушения расхождения поливалентов в мейозе.

В результате скрещивания тетраплоида с диплоидом получается триплоид. Эти растения крупнее и мощнее, чем растения с кратными числами хромосом (например, сахарная свекла), но полностью стерильные.

Образование растения Raphanobrassica в результате скрещивания редьки и капусты. Следует обратить внимание на форму плода у родителей и гибрида


Недостаток этих гибридов заключается в том, что в результате скрещивания тетра- и диплоидов в потомстве получается только около 55% триплоидов. Тем не менее, экономический эффект от их внедрения в производство перекрыл расходы, связанные со строительством Новосибирского Академгородка к началу 1970-х годов.

5. Аллополиплоидия (амфиполиплоидия)

Полиплоиды, возникающие на основе умножения разных геномов, называются аллополиплоидами геномов. Протекание мейоза у аллополиплоидов имеет ряд особенностей. Например, совмещаются геномы S (рожь) и Т (пшеница). У гибрида будет два генома - Т и S - по 7 хромосом в каждом. В мейозе образуются униваленты, поскольку в наборах хромосом одного вида нет гомологов с хромосомами другого вида, т.е. в мейозе будет 14 унивалентов. В анафазе они будут беспорядочно расходиться к полюсам. Гаметы могут иметь от 0 до 14 хромосом (7Т + 7S). Гаметы, имеющие 14 хромосом, называются нередуцированными. При объединении нередуцированных гамет образуется зигота с удвоенным набором хромосом каждого вида – аллотетраплоид. Он оказывается фертильным.

Первыми получили фертильные аллополиплоиды Г. Д. Карпеченко в 1928  г. на растениях, а на животных – Б.Л. Астауров, который скрещивал Bombix mori с другим видом шелкопряда В. mandarina.

Г.Д. Карпеченко использовал в скрещиваниях два вида из разных родов – Brassica oleacea (капуста) и Raphanus sativus (редька). У обоих видов диплоидное число хромосом 2п=18 (рис. 4.10.). Гибрид имел 18 хромосом, был мощным, сильно цвел, но семян не образовывал. Отдельные гаметы были нередуцированными, т.е. имели по 9R и 9В хромосом. От них получились устойчивые растения, которым автор дал новое видовое название - Рафанобрассика.

Аллополиплоидия широко распространена в природе. Известны многие полиплоидные виды пшеницы. Triticum aestivum (мягкая пшеница) является основным хлебным растением мира (90% мирового производства). Она имеет в составе 2п=42 хромосомы. Другие пшеницы, например Т. durum (твердая пшеница) имеет 2п=28 хромосом. Пшеница однозернянка Т. топососсит имеет 14 хромосом.

В 1913 году A. Schultz разделил виды, входящие в род Triticum на три группы: однозернянки, полбы и спельты. Т. Sakamura (1918) и N. Sax (1922) обнаружили, что однозернянки имеют в соматических клетках 14 хромосом, пшеницы группы полбы - 28, а спельты -42 хромосомы. При исследовании как диких, так и культурных видов пшениц было найдено, что основное число хромосом в роде Triticum, x=7. В результате скрещивания Т. топососсит (группа однозернянок) с Т. turgidum (группа полбы) в мейозе у гибрида было найдено семь бивалентов и семь унивалентов. Таким образом, оказалось, что   один  геном   Т.   turgidum   имеет гомологию с геномом Т. топососсит (гомологичные хромосомы разных видов называют гомеологичными). Эти геномы назвали символом А. Второй геном Т. turgidum назван геномом В. Пшеницы-однозернянки имеют два генома А, (т.е. АА), а пшеницы-полбы по два генома А и В (т.е. ААВВ).

Из каких компонентов состоят геномы 42-хромосомных мягких пшениц-спельт?

При анализе мейоза у гибридов Т. spelta х Т. топососсит (геном АА) обнаружили образование семи бивалентов, что означает наличие геномов АА в составе генома спельта.

Последующий анализ показал, что Т. топососсит получила геном А от Т. thaoudar - предковой формы однозернянок.

В скрещиваниях пшениц группы полбы (ААВВ) с видами группы спельты в мейозе найдено образование 14 бивалентов и 7 унивалентов. Таким образом было установлено, что Т. spelta имеет два общих генома с пшеницами группы полб (А и В) и еще один, отличный от них геном D. Значит, спельты имеют геномную формулу AABBDD. Очень похожим на пшеницы оказался род Aegilops. Путем анализа многочисленных скрещиваний выяснили, что источником генома D в Т. aestivum является Aegilops squarrosa.

Геном В у видов пшеницы группы полбы был также получен от эгилопса, от Ае. speltoides.

Таким образом, эволюция генома Т. aestivum посредством полиплоидизации может быть представлена на рисунке.

Рисунок -  Эволюция генома Triticum aestivum посредством полиплоидизации

Полиплоидия используется селекционерами с целью получения межвидовых гибридов и их закрепления (пшенично-пырейные гибриды).

Искуственное получение полиплоидов

Все факторы, влияющие на митоз и мейоз могут вызвать полиплоидию: изменение температуры, влияние радиации, действие наркотиков, механические воздействия пасынкование, декапитация. Особенно популярным является колхицин - алкалоид, выделяемый из растения безвременника осеннего - Colchicum autumnale. Колхицином обрабатывают точки роста растений, или инъецируют его животным в водном растворе.

Колхицин парализует механизм расхождения хромосом к полюсам, но не препятствует их репродукции.

6. Анеуплоидия

К. Бриджес (1916) открыл явление нерасхождения хромосом, в результате чего обе Х-хромосомы отходят либо в яйцеклетку (образуется гамета XX) или в направительное тело (гамета 0). При оплодотворении яйцеклеток XX и 0 спермиями, несущими Х или хромосому, образуются самки XXX, ХХУ и самцы Х0. Все они имеют нормальный диплоидный набор аутосом. В мейозе у этих особей наиболее  вероятна образование анеуплоидов из-за нарушения расхождения хромосом. Организм с набором 2п - 1 называют моносомиком, 2п + 1 – трисомиком, 2п + 2 – тетрасомиком, 2п + 3 – пентасомиком, 2п - 2 – нуллисомиком.

Американский ученый Е. Сире (Е. R. Sears) в 1954 году после 15 лет работы создал на базе сорта пшеницы "Чайниз Спринг" коллекцию нуллисомиков, моно-, три- и тетрасомиков.

Рисунок - Возникновение сегментной анеуплоидии в результате комбинации элементов хромосомы (объяснение в тексте). X, 7 - половые хромосомы, цифрами в кружках обозначены транспонированные X и Ухрмосомы, черной точкой - центромера

У других организмов, у которых в составе генома нет дублирующих геномов, как у пшеницы, потеря целой хромосомы, т.е. образование нуллисомиков, почти всегда летальна. Летальны также потери больших кусков хромосом. У дурмана дополнение одной хромосомы ведет к изменению формы семенной коробки.

У животных анеуплоиды жизнеспособны, как правило, только в том случае, если анеуплоидия затрагивает половые хромосомы. Например, у мышей и человека жизнеспособны женские особи ХО – моносомики, или особи мужского пола XXY – трисомики по половым хромосомам, пентасомики ХХХХХ – женские особи. Животные-анеуплоиды по аутосомам, как правило, нежизнеспособны. Среди исключений – трисомик по хромосоме 21 у человека. Он жизнеспособен, но отягощен синдромом Дауна.

7. Гаплоидия

Гаплоидия это явление уменьшения числа хромосом, когда в наборе соматической или половой клетки каждая пара гомологичных хромосом представлена лишь одной из них. Гаплоидом называют организм, имеющий в соматических клетках гаплоидный набор негомологичных хромосом.

Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле спорообразующих грибов, бактерий и одноклеточных водорослей.

Впервые гаплоид у высших растений был обнаружен у дурмана в 1921 году,  затем гаплоиды были найдены у пшеницы, кукурузы. В настоящее время гаплоидия известна для 71 вида из 39 родов и 16 семейств. Фенотип гаплоидов имеет следующие особенности:

1. У   гаплоидов    проявляются рецессивные гены, т.к. их не прикрывают доминантные аллели.

Гаплоиды по внешнему виду как правило, сходны с соответствующими диплоидными организмами, но мельче их.

Гаплоиды перекрестноопылителей маложизнеспособны   в   отличие   от гаплоидов самоопылителей.

Клетки гаплоидов имеют меньший размер,     что     может     объясняться уменьшением дозы генов.

Гаплоиды почти бесплодны, т.к. у них в мейозе не образуется полноценных гамет: хромосомы не имеют гомологов, в силу чего они не конъюгируют и расходятся случайно, образуя несбалансированные гаметы. В редких случаях весь набор хромосом отходит к одному полюсу. Из этих клеток образуются  гаметы с нередуцированным гаплоидным числом хромосом. При встрече таких гамет в процессе самоопыления  образуется диплоид, гомозиготный по всем генам. Растения, полученные от гаплоида путем вегетативного  размножения,  имеют
фенотип, полностью соответствующий генотипу.

В гаплоидных тканях растений можно улавливать полезные и устранять летальные рецессивные соматические мутации.

8. Системные мутации. Спонтанные мутации

Иногда выделяют категорию системных мутаций. В 1940 г. Р. Гольдшмидт предложил называть так структурные перестройки хромосом, связанные с радикальными изменениями во всей системе клеточных реакций.

При системных мутациях не изменяется ни генный состав, ни линейная
структура хромосом, ни число хромосом. Системные мутации возникают в результате пространственной реорганизации интерфазных хромосом в ядре за счет изменения хромосомно-мембранных взаимоотношений.

В любой популяции живых организмов, живущих на Земле, всегда есть особи, несущие мутации. Многие годы до открытия возможности искуственной индукции мутаций селекционеры и исследователи наследственности, включая Менделя и Моргана, использовали мутации этого типа. Их называют спонтанными.

Начиная с 1925 года С.С. Четвериков и его молодые коллеги Б.Л. Астауров, Н.К. Беляев, С.М. Гершензон, П.Ф. Рокицкий, Д.Д. Ромашов в результате экспериментальной проверки природных популяций дрозофилы нашли в них большое число различных мутаций. Каждый ген с той или иной частотой спонтанно переходит в мутантное состояние.

Причины индукции спонтанных мутаций не ясны. Долгое время полагали, что к числу индуцирующих факторов относится естественный фон ионизирующих облучений, образуемый доходящими до поверхности земли космическими лучами, гамма излучениями Земли и радиоактивными веществами (К, 14С, Rn), поступающими в малых количествах в организм из окружающей среды. Однако, как показали расчеты, у дрозофилы естественый радиационный фон может быть ответствен только приблизительно за 0,1% спонтанных мутаций. Хотя, по мере увеличения продолжительности жизни организма воздействие естественного фона может накапливаться, и у человека от 1/4 до 1/10 спонтанных мутаций может быть отнесено за счет естественного фона радиации.

Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов в ходе нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке. По  многочисленным данным спонтанные мутации возникают во время деления хромосом и репликации ДНК. Считают вероятным, что спонтанные мутации представляют чаще всего следствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.

Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных элементов, которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию. По расчетам американского генетика Мелвина Грина около 80% спонтанных мутаций приходится на счет перемещений мобильных элементов.

9.Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова

Первым наиболее серьезным исследованием мутаций была работа Н.И. Вавилова по установлению параллелизма в наследственной изменчивости у видов растений, принадлежащих близким таксонам.

На базе обширных исследований морфологии различных рас растительного мира, Вавилов в 1920 году выраженное разнообразие (полиморфизм) многих видов, можно заметить ряд закономерностей в изменчивости этих видов. Если взять для примера семейство злаков и рассмотреть варьирование некоторых признаков, оказывается, что одинаковые отклонения присущи всем видам (таблица) В данной таблице представлена очень незначительная часть данных Н.И. Вавилова, легших в основу формулирования закона гомологических рядов в наследственной изменчивости, однако и эти данные позволяют увидеть,

Таблица - Изменчивость у видов семейства Graminidae (фрагмент из работы Н.И. Вавилова, 1922)

Наследственно

Наличие

(+) или отсутствие (-)

признака у видов

варьирующие признаки

Secale cereale

Triticum sativum

Hordeum sativum

Panicum miliaceum

Zea mays

Oriza sativa

Agropymn repens

колоски осыпающиеся

+

+

+

+

+

+

колоски неосыпающиеся

+

+

+

+

+

+

+

зерно пленчатое

+

+

+

+

+

+

+

зерно голое

+

+

+

+

+

+

-

однополые растения

+

-

-

-

+

-

-

обоеполые растения

+

+

+

+

+

+

+

колоски остистые

+

+

+

-

-

+

+

колоски безостые

+

+

+

+

+

+

+

что варьирование морфологии идет параллельно у разных видов. Чем ближе таксономически рассматриваемые организмы, тем большее сходство наблюдается в спектре их изменчивости.

Закон Вавилова гласит: "Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линнеоны (т.е. виды), тем полнее сходство в рядах их изменчивости."  Свой закон Н.И. Вавилов выразил формулой:

G1 (a+b+c…)

G2 (a+b+c…)

G3 (a+b+c….),

G1,G2, G3, - обозначение видов, a a, b, с - различные варьирующие признаки.

Закон Вавилова имеет большое теоретическое значение, поскольку из гомологии наследственных изменений у близких видов выводит и гомологию их генов. Для селекционной практики этот закон важен потому, что прогнозирует возможность нахождения неизвестных форм растений у данного вида, если они уже известны у других видов.

10. Ненаследственная изменчивость

Исследователи давно заметили, что многие различия между особями находятся в большой зависимости от условий окружающей среды. Даже при совершенно тождественном генотипе два организма могут быть фенотипически несхожими, если они в течение своего развития по-разному питались, находились при разной температуре или влажности, болели разными болезнями.

Такие фенотипические различия, вызываемые внешними факторами у одинаковых в наследственном отношении организмов, называются модификациями.

Сведения о модификациях требуются, прежде всего, для понимания того, как происходит реализация генетической информации, поскольку формирование организма определяется не только генами, но и разнообразными воздействиями внешней среды, в которой развивался организм.

Примеры модификаций широко известны и многочисленны.

У морского червя Bonellia viridis, у которого самка и самец имеют одинаковый генотип, развитие пола целиком зависит от условий существования.

Морфология листьев у водяного лютика и стрелолиста зависит в какой среде, воздушной или подводной, они развиваются (рисунок).

Если надземную часть стебля картофеля искусственно лишить доступа света, на ней развиваются клубни, висящие в воздухе (рисунок). У камбалы, ведущей донный образ жизни, верхняя поверхность тела темная, что делает ее незаметной для приближающейся к ней добычи, а нижняя поверхность тела светлая. Но если аквариум сделан со стеклянным дном и освещается не сверху, а снизу, то темной становится нижняя сторона тела.

Рисунок - Вверху - водяной лютик, слева -водные листья, справа - воздушные.

Внизу -стрелолист с надводными, плавающими и подводными листьями

Кролики горностаевой породы имеют белый цвет тела, кроме конца морды, лап, хвоста и ушей. Если выбрить участок белых волос, например, на спине и держать при пониженной температуре (0-1° С), то на выбритом месте отрастает черная шерсть. Если выбрить часть черных волос и поместить кролика в условия повышенной температуры, то вновь отрастает белая шерсть.

Связано это с тем, что для каждого участка тела характерен свой уровень кровообращения и соответствующее варьирование температуры тела, в зависимости от чего формируется или деградирует черный пигмент - меланин (рисунок). Генотип при этом остается одинаковым.

Рисунок - Клубни картофеля, образующиеся над землей при затенении стебля

Рисунок - Карта температурных порогов пигментации у кролика

У модификаций описаны следующие свойства:

Степень выраженности модификации пропорциональна силе и продолжительности действия на организм вызывающего модификацию фактора. Эта закономерность  коренным  образом отличает модификации от мутаций, особенно от генных.

В подавляющем большинстве случаев модификация   представляет   собой полезную, приспособительную реакцию организма на тот или иной внешний фактор. Это можно видеть на примере почти всех перечисленных выше и многих других   модификаций   микробов   и человека.

3. Адаптивными бывают только те модификации, которые  вызываются обычными изменениями природных условий, множество раз встречавшимися особям данного вида на протяжении его прошлой эволюционной истории. Если же организм    попадает   в    необычные обстоятельства, с которыми его предкам сталкиваться не приходилось, то возникают модификации лишенные приспособительного значения.

4. Не имеют приспособительного значения (а нередко представляют даже настоящие уродства) модификации, вызываемые экстремальными экспериментальными воздействиями, особенно химическими и физическими факторами, с которыми организм не сталкивается в природе. Индуцированные    таким     образом модификации часто называют морфозами. Если действовать на личинок или куколок дрозофилы рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами, а также предельно переносимой температурой, то у развивающихся мух наблюдаются разнообразные   морфозы,   характер которых зависит от индуцирующего фактора и его интенсивности, а также от стадии развития организма в момент воздействия. Некоторые из этих морфозов очень похожи на изменения, вызываемые мутациями известных генов.   Так, под влиянием теплового шока, которому подвергались предкуколки и куколки, были получены мухи с закрученными кверху крыльями, с вырезками на крыльях, с расставленными крыльями, с крыльями малых    размеров,    фенотипически неотличимые    от   мух   нескольких мутантных линий дрозофилы (опыты Митчелла).    Такие    модификации, напоминающие проявление известных генов, получили название фенокопий.

5. Варьирование степени стойкости модификаций. В отличие от высокой константности мутаций, модификации обладают разной степенью стойкости. Многие из них обратимы, т.е. возникшее изменение постепенно исчезает, если устранено вызвавшее его воздействие. Так, загар у человека проходит, когда кожа перестает подвергаться инсоляции, объем мышц уменьшается после прекращения тренировки и т.д.

Лишь очень редко модификация затрагивает, тоже постепенно сходя на нет, ряд поколений, но поколений не половых, а получающихся при вегетативном или партеногенетическом размножении. Такие длительные модификации описаны например, у инфузорий-туфелек. Вначале они выдерживали концентрацию мышьяковистой кислоты не выше 1,1%. Однако, переводя их во все более крепкие растворы, удалось добиться, что они стали переносить даже 5% концентрацию яда. После прекращения воздействия, устойчивость туфелек к мышьяковистой кислоте медленно снижалась, но только через 10 с половиной месяцев она опустилась до исходного уровня, т.е. модификация исчезла лишь приблизительно за 600 вегетативных поколений.

6. Ненаследственный характер модификаций. В отличие от мутаций, модификации не передаются по наследству. Это положение наиболее остро обсуждалось на протяжении всей истории человечества. Полагали, что наследоваться могут любые изменения организма, как врожденные, так и приобретенные в течение жизни. Даже Дарвин признавал возможность наследования некоторых модификационных изменений.

Первый серьезный удар представлению о наследовании приобретенных признаков нанес А. Вейсман.

Иллюстрируя положение о модификациях, А. Вейсман поставил следующий опыт, доказывающий ненаследование приобретенных признаков. На протяжении 22 поколений он отрубал белым мышам хвосты и скрещивал их между собой. В общей сложности было обследовано 1592 особи и ни разу не было обнаружено укорочения хвоста у новорожденных мышат. В подобном эксперименте, результаты которого были опубликованы в 1913 году, в сущности не было необходимости, поскольку события, аналогичные экспериментам Вейсмана часто встречаются и в обычнойжизни людей. "Результаты преднамеренных повреждений у человека, сделанные из ритуальных или "эстетических" соображений – обрезание, протыкание ушей, губ, носовой перегородки, удаление зубов, уродование ступней, черепа и т.д., как известно не наследуются".

В России в 1930-е-1950-е годы получили широкое распространение ошибочные утверждения Лысенко и его последователей о наследовании "приобретенных признаков", т.е. соматических изменений, возникающих в течение жизни особи под влиянием факторов среды, а затем способных адекватно передаваться ее потомкам, т.е. проявляться у них в таком же виде, как у родителя, даже без действия этих факторов.

Множество тщательных опытов, проведенных на разных организмах, показало ненаследуемость модификации, и исследования такого рода представляют теперь лишь исторический интерес.

В наше время Ф. Криком сформулирована т.н. "центральная догма молекулярной биологии", согласно которой перенос информации возможен только от генетического материала к генным продуктам - белкам, но не в обратном направлении.

Норма реакции. Фенотип формируется за счет взаимодействия двух факторов: генотипа и внешней среды.

Свойство данного генотипа обеспечивать в определенных пределах изменчивость онтогенеза в зависимости от меняющихся условий среды, называют нормой реакции. Иначе говоря, амплитуда возможной изменчивости в реализации генотипа выражает норму реакции.

Норму реакции наблюдать лучше всего у организмов с одинаковым генотипом, например у вегетативно размножающихся растений и однояйцевых близнецов. В этом случае можно выявить норму реакции генотипа в наиболее "чистом" виде.

Полностью охарактеризовать норму реакции, присущую тому или иному генотипу, практически невозможно, т.к. для этого пришлось бы изучить как изменяется фенотип особей данного генотипа во всех разнообразных условиях среды, в каких они могут оказаться. Но более частные проявления нормы реакции нередко необходимо знать. В селекции, направленной на создание новых или совершенствование существующих форм полезных человеку организмов, постоянно возникает потребность установить различия в реакции тех или иных сортов возделываемого растения на качество почвы, сроки посева, наличие удобрений.

Какова генетическая обусловленность нормы реакции?

 Некоторые из факторов, способные обеспечить варьирование признаков в пределах нормы реакции, можно перечислить:

Полигенная детерминация признака и реакции организма.

Плейотропность действия гена.

Зависимость проявления мутации от условий среды.

Гетерозиготность организма, вследствие чего у некоторых генов могут изменяться отношения доминирования.

5. Взаимодействие  генов,   которое происходит на уровне генных продуктов – субъединиц белковых молекул.

6. Альтернативные пути развития в системе онтогенеза и биосинтезов в клетке.   Блокирование одного пути компенсируется другим.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
    Л. С. Чернин.
     – М.: Высш. шк., 1985.
  3.  Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.
  4.  Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.
  5.  Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
  6.  Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
    В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.


ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОНТОГЕНЕЗА (2 часа)

Лекция 15

Онтогенез – как реализация генетической информации

Цель лекции: ознакомить учащихся с особенностями онтогенеза – как реализации генетической информации в ходе индивидуального развития в определенных условиях внешней и внутренней среды, изучить процессы детерминации, дифференциации, первичной дифференцировки цитоплазмы и стабильности генетического материала в ходе индивидуального развития.

План лекции:

1. Дифференцировка и детерминация.

2.Эпигеномная наследственность.

3. Транскрипция и амплификация генов в оогенезе.

4. Дифференциальная активность генов в онтогенезе.

5. Роль генетических факторов в определении продолжительности жизни.

6. Молекулярные основы процесса старения и генетическая картина онтогенеза.

1. Дифференцировка и детерминация

Раздел генетики, изучающий генетические основы индивидуального развития (онтогенеза), называется феногенетикой. Онтогенез включает увеличение массы организма (рост) и структурно-функциональную дифференциацию составляющих его клеток. Понятия «рост» и «развитие» применимы как к одноклеточным, так и к многоклеточным эукариотическим организмам, однако специфика онтогенеза тех и других обусловлена глубокими эволюционными отличиями между ними, связанными с возникновением многоклеточности. В данной теме рассматриваются в основном вопросы, касающиеся генетической регуляции онтогенеза многоклеточных животных.

Индивидуальное развитие начинается с оплодотворенной яйцеклетки. Однако уже организм новорожденного ребенка содержит около 1014 клеток, а тело взрослого человека состоит из 1015-1016 клеток. В результате процессов, происходящих в онтогенезе, формируются органы и ткани, выполняющие, как правило, ограниченное число функций. Структура клеток тканей взрослого организма отличается, и весьма заметно, от структуры яйцеклетки и приспособлена к выполнению тканеспецифических функций, возникающих в ходе дифференцировки. Дифференцировка — это процесс формирования структурно-функциональной организации клеток многоклеточных животных и растений, в результате которого клетки приобретают способность к выполнению определенных функций в сложном организме. Дифференцированное состояние в норме стабильно: клетки нервной ткани не превращаются в печеночные или эпителиальные клетки кишечника, и наоборот.

Советский биолог А. А. Заварзин открыл основную тенденцию в эволюции тканевых клеток: по мере усложнения организации их носителей они все больше и больше становятся частями целого, теряют самостоятельность и в своих проявлениях целиком зависят от надклеточных регуляционных систем: внутри- и межтканевых отношений, гуморальных и нервных факторов. Другими словами, соматические клетки животных эволюционируют как субъединицы целостного организма. Отсюда ясно, что этот принцип был бы нарушен, если бы происходило постоянное превращение одних клеток в другие. В свою очередь, это нарушило бы гомеостатические реакции организма и резко снизило бы его устойчивость к внешним факторам. Взаимодействие клеток тканей и надклеточных регуляционных систем основано на компетентности, т. е. восприимчивости клеток к регуляционным влияниям. Фактически все основные функции дифференцированных клеток контролируются организмом. Этот принцип нарушается в злокачественных опухолях.

Конечная дифференцировка часто связана с утратой способности клеток к размножению – пролиферации. Активная пролиферация и функционирование — процессы в норме, как правило, взаимоисключающиеся. Это, вероятно, и служит причиной того, что, например, нервные клетки млекопитающих делятся последний раз в эмбриональном и раннем постэмбриональном периодах, а клетки нервных ганглиев дрозофилы — в личиночной стадии. При развитии взрослого организма формируются комплексы, состоящие из многих нервных клеток, выполняющих разные функции, начиная от чувствительного нейрона и кончая двигательным. Если бы нервные клетки постоянно делились во взрослом организме, то поддержание целостности этих комплексов было бы невозможно и это, несомненно, имело бы катастрофические последствия для нервной регуляции.

Итак, дифференцированное состояние проявляется в специфическом «портрете» соматических клеток и их функциональной характеристике. Однако в пролиферирующих тканях клетки дифференцированы в разной степени. Например, в эпителии на вершине ворсинки находятся клетки, достигшие конечной стадии дифференцировки, тогда как клетки в криптах — камбиальных отделах кишечного эпителия — морфологически сильно отличаются от клеток вершины ворсинок. Однако из недифференцированных клеток крипт могут возникнуть только эпителиальные клетки кишечника. В этом случае можно утверждать, что клетки крипт детерминированы, т. е. могут   развиваться   только   в   каком-либо   определенном направлении. Детерминация начинается в раннем эмбриогенезе и постепенно сужает число возможных превращений клеток до одного какого-либо дифференцированного состояния или очень немногих.

В опытах по пересадке ядер на амфибиях, проведенных в 50-е годы, было показано, что полноценное развитие может быть обеспечено только ядрами, взятыми на самых ранних стадиях развития животных. Такие ядра называются тотипотентными, т. е. способными повторить все стадии развития организма и дать все типы клеток. Ядра, взятые из сформировавшихся первичных зародышевых тканей, такую способность теряют. Например, эктодермальные ядра, пересаженные в энуклеированную яйцеклетку, приводили к развитию зародыша с дефектной энтодермой, и, напротив, энтодермальные ядра не способны образовывать эктодерму. Позднее было показано (см. ниже), что при определенных экспериментальных условиях тотипотентность ядер клеток даже дифференцированных тканей может быть восстановлена, однако важно подчеркнуть, что в норме процессы сужения потенций ядер соматических клеток развиваются необратимо.

Интересные факты, касающиеся детерминации, были получены на дрозофиле. Как известно, многие насекомые, в том числе и дрозофила, развиваются путем полного метаморфоза. Это означает, что на стадии куколки происходит лизис личиночных тканей, кроме нервных ганглиев, гонад и имагинальных дисков. Из имагинальных дисков путем пролиферации и дифференцировки развиваются органы взрослой мухи. Они состоят из дифференцированных постмитотических неделящихся клеток. Има-гинальные диски можно выделить из личинки и трансплантировать в брюшко взрослых самок. Там под влиянием гормонов реципиента они пролиферируют без дифференцировки. Если их возвратить в полость тела личинки незадолго до окукливания, то они дифференцируются в строгом соответствии со своим происхождением. Так, имагинальные диски, определяющие развитие глаз, даже если они пересажены в необычное место, например в брюшную часть тела другой личинки, развиваются в глаза.

2.Эпигеномная наследственность

Возникает вопрос: каков механизм поддержания стабильности дифференцированного состояния; почему клетки, детерминированные в определенном направлении, сколько бы раз они ни делились, сохраняют свою специфичность? Вейсман полагал, что в основе детерминации лежат неравнонаследственные деления. Носителем полной генетической информации, т.е. детерминантов (генов) всех признаков взрослого организма, является оплодотворенная яйцеклетка. Тканевые клетки получают набор генов, соответствующих их структуре и функциям. Это означает, что в нервных клетках нет генов гемоглобина, а в клетках печени — генов, кодирующих белки мышц. В качестве подтверждения своей гипотезы Вейсман использовал данные по диминуции хроматина у лошадиной аскариды. Он полагал, что диминуция – это как раз тот процесс, при котором тканевые клетки освобождаются от лишнего генетического материала. Эта гипотеза оказалась ошибочной. Диминуционные деления (их обычно одно или два) происходят в раннем эмбриогенезе (3-7 делений дробления), т. е. тогда, когда ткане-специфические гены еще не начинают функционировать. Собственно говоря, диминуция — это первый акт детерминации, разделяющий зародышевые половые и соматические клетки. Все типы тканевых клеток развиваются после диминуционных делений. Нельзя не отметить, что диминуция наблюдается у ничтожного числа из ныне известных видов животных. Данные цитогенетики показывают, что у видов, у которых диминуция отсутствует, кариотины всех тканевых клеток одинаковы; цитофотометрия свидетельствует о том, что клетки различной дифференцировки по содержанию ДНК не различаются; наконец, данные молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот указывают на идентичность спектра нуклеотидных последовательностей в клетках разных тканей. Следовательно, гены гемоглобина присутствуют не только в эритро-идных клетках, где они активно функционируют, но и в клетках мозга, печени, почек и других тканей.

Таким образом, дифференциация происходит на основе неизменного в количественном отношении генома, сохраняющего полный спектр всех своих компонентов. Однако допускается, что в процессе дифференцировки отдельные гены избирательно повреждаются и в данных тканевых клетках уже никогда не будут функционировать. В таком случае в клетках кишечного эпителия гены гемоглобина не работают не потому, что они там отсутствуют, а вследствие повреждения их структуры или выпадения незначительных по размерам последовательностей (типа ТАТА-бокса), регулирующих транскрипцию.

Экспериментальные данные, опровергнувшие и эту точку зрения на механизм дифференциации, были получены английским ученым Дж. Гердоном в начале 60-х годов (рисунок 1) на Xenopus laevis. Неоплодотворенные яйцеклетки облучали большой дозой ультрафиолета, которая инактивировала ядра,  но практически не повреждала цитоплазму. С помощью микрохирургической техники в такие энуклеированные яйцеклетки пересаживались ядра из дифференцированных клеток — эпителия кишечника головастика. В некоторых случаях удалось получить полностью нормальных плодовитых взрослых особей.

Если для опыта брали ядра одной особи, то все развившиеся животные представляли собой клон, т. е. были сходны между собой так же, как однояйцевые близнецы человека. Из опытов Гердона можно сделать два вывода: во-первых, в процессе детерминации и дифференцировки не происходит необратимых повреждений генома; во-вторых, перенесение ядра тканевой клетки в неоплодотворенное яйцо по крайней мере в некоторых случаях приводит к полному возврату дифференцированного состояния и детерминации.

Рисунок 1.   Клонирование   Xenopus   laevis - развитие взрослой особи из яйцеклетки, ядро которой    заменено    ядром    из   соматической клетки     кишечного     эпителия     головастика:

1 — неоплодотворенное яйцо, 2 — УФ-облучение, 3 — головастик, 4 — кишечник головастика, 5— клетки кишечного эпителия, 6 — микропипетка, 7 — ядро эпителиальной клетки, 8 — яйцо-реципиент, 9 — бластула, 10 — неделяшаяся клетка, 11— ненормальный эмбрион, 12— взрослая лягушка

Другие примеры частичной обратимости дифференцированного состояния могут быть показаны с помощью гибридизации соматических клеток in vitro. В настоящее время техника подобных экспериментов достаточно высока, поэтому довольно легко можно получить гибриды между клетками даже далеких видов с разными типами молекулярной организации генома, например, между клетками птиц и млекопитающих. Если слить эритроциты птиц, ядра которых полностью потеряли генетическую активность, с клетками HeLa (человеческого происхождения), то в полученных гибридных клетках быстро активируются эритроцитарные ядра; в них синтезируются РНК, ДНК и белки, специфичные для данного вида птиц. Однако в природе едва ли существуют условия, при которых резко нарушается стабильность дифференцированного состояния, а тем более происходит передетерминация. Таким образом, поскольку детерминация и дифференцировка не связаны с количественными или качественными изменениями генома (в абсолютном большинстве случаев), то принято считать, что эти процессы основаны на эпигеномной наследственности. Сущность ее состоит в постоянном воспроизведении в ряду поколений соматических клеток такой надмолекулярной организации хромосом, которая позволяет функционировать в каждом типе клеток строго определенным наборам генов.

У высших растений геном соматических клеток также в основном репрессирован, и эта репрессия поддерживается эпигеномной наследственностью. Однако в этом случае полная дерепрессия генома в культуре растительной ткани наблюдается  чаще.   Например,   из   соматических   клеток моркови и табака можно получить полноценные фертильные растения.

Механизм становления детерминации пока неизвестен, однако ясно, что у многих животных, например у амфибий, первичная детерминация связана с химической неоднородностью различных участков яйцеклетки. Поэтому и детерминация ядер, оказавшихся в ходе дробления в районе вегетативного полюса, будет иной, чем тех, которые попадут в цитоплазму анимального полюса.

3. Транскрипция и амплификация генов в оогенезе

Дифференцировка цитоплазмы яйца обусловлена функционированием хромосом, которое особенно выражено у видов с хромосомами типа ламповых щеток. Они имеют отчетливо выраженное хромомерное строение. Из хромомеров в виде петель вытянуты ДНК-вые оси хромосом. Поскольку хромосомы типа ламповых щеток существуют в диплотене и состоят из четырех хроматид, каждый участок таких хромосом представлен четырьмя хромомерами и четырьмя петлями. Петли — это участки хромомера с интенсивной транскрипцией. Обычно в них легко различают тонкий конец, где начинает свое движение РНК-полимераза, и толстый конец, где транскрипция заканчивается. Так называемый матрикс, которым покрыты петли, представляет собой гранулы или фибриллы, состоящие из вновь синтезированной РНК и белка, т. е. рибонуклеопротеиновых частиц. Некоторые петли имеют специфическую морфологию и легко идентифицируются. Существенно отметить, что число петель у тритонов — объектов, у которых хромосомы типа ламповых щеток изучены наиболее подробно,— близко к числу типов иРНК, присутствующих в цитоплазме. Эта иРНК используется не только для формирования цитоплазмы яйца. Большая часть молекул иРНК, синтезированных хромосомами типа ламповых щеток, не связана с рибосомами. Она используется позже во время раннего эмбриогенеза.

К числу других важных событий, осуществляющихся под генетическим контролем во время оогенеза, относится селективная амплификация (умножение числа копий) рибосомного гена, наблюдающаяся у некоторых животных, например у амфибий. Причина амплификации – резкое увеличение объема яйцеклетки по сравнению со средней соматической клеткой, достигающее иногда трех порядков. Чтобы заполнить такой огромный объем клетки рибосомами, гены рДНК сами увеличиваются в числе настолько, что, например, у Xenopus laevis по окончании амплификации содержание рДНК почти равно количеству ДНК, заключенному в диплоидном наборе хромосом. Число ядрышек — органелл, где происходит сборка рибосом, — соответственно возрастает с 2 до 1,5 тыс. Замечательная особенность молекулярного механизма амплификации заключается в том, что он осуществляется по принципу катящегося кольца. Одна из копий гена рДНК покидает хромосому, затем замыкается в кольцо, из которого как бы вытягивается хвост длиной в несколько десятков микрометров. Затем эта структура вновь циклизуется, образуя большое кольцо, на основе которого формируется ядрышко.

В последнее десятилетие явление амплификации отдельных генов было открыто не только в оогенезе. Так, устойчивость клеток к противораковым препаратам может быть обусловлена гиперпродукцией тех ферментов, которые они инактивируют.

4. Дифференциальная активность генов в онтогенезе

Развитие характеризуется сменой активности различных генов. Для того чтобы наглядно представить себе этот процесс, достаточно вспомнить основной биогенетический закон Э. Геккеля, согласно которому в эмбриогенезе каждого вида повторяются основные черты эмбрионального развития его эволюционных предшественников. Ясно, что гены, контролирующие образование зачаточных жаберных щелей и других подобных органов, функционируют в онтогенезе плацентарных млекопитающих лишь ограниченное время.

Четкая упорядоченность в связи со стадиями индивидуального развития установлена для смены функционирования генов гемоглобина у млекопитающих. Подобных примеров можно привести немало, однако с точки зрения генетики развития наиболее интересны те случаи, где дифференциальная активность генов может быть прослежена непосредственно по изменению некоторых особенностей хромосом, иногда называемых особенностями хромосомного фенотипа. Наиболее ярким примером такого рода служат пуфы в гигантских политенных хромосомах (рисунок 2). Морфологически они представляют собой вздутия определенных районов хромосом, обусловленные декомпактизацией отдельных дисков и интенсивным синтезом в них РНК- Пуфы, таким образом, можно рассматривать как высокоактивные в функциональном отношении тканеспецифичные и стадиеспецифичные гены. Установлена роль гормонов (в частности, экдизона — гормона окукливания в индукции пуфов), а также роль белков, синтезированных ранними пуфами, в индукции поздних пуфов.

Рисунок 2 – Пуфирование гигантских хромосом в клетках слюнных желез дрозофилы иод действием экдизона: 1 — экдизон, 2— рецепгорный белок, 3— комплекс экдизона и рецепторного белка. 4 - ранний пуф. 5 — иРНК, 6 — белки — продукты раннего пуфа, 7 — регрессия раннего пуфа, 8 — поздние пуфы, возникшие под действием  продуктов раннего пуфа

Таким образом, стероидные гормоны и белки, вероятно, не единственные факторы, ответственные за переключение генов в онтогенезе, а следовательно, и за смену фаз индивидуального развития организма. Особенно велика роль стероидных гормонов в регуляции генной активности у животных. Известно, что гормоны синтезируются в специализированных клетках желез внутренней секреции и циркулируют по всему организму. Однако отдельные гормоны активируют гены не во всех клетках, а только в клетках-мишенях, которые содержат специальные рецепторные белки, с которыми специфически связываются молекулы гормона. Это связывание происходит в цитоплазме, а затем образовавшийся комплекс проникает в ядро, где он взаимодействует с определенными негистоновыми белками хромосом. В отсутствие гормонов эти белки блокируют либо промоторные, либо иные, пока неизвестные регуляторные участки определенных генов. Комплекс «гормон — рецепторный белок» снимает блокирующее действие негистонового белка-репрессора, следствием чего являются транскрипция данного гена, созревание иРНК, транспорт ее в цитоплазму и синтез белка.

5. Роль генетических факторов в определении продолжительности жизни

Продолжительность жизни отдельных видов генетически детерминирована. Какие бы идеальные условия ни были созданы для лабораторных  мышей, они  живут не более 3-3,5 лет, причем есть линии короткоживущие и долгоживущие. На среднюю продолжительность жизни внешние факторы влияют существенно, тогда как максимальную продолжительность жизни изменить очень трудно. Так, средняя продолжительность жизни человека за последние 100 лет увеличилась примерно в два раза, тогда как на максимальной продолжительности жизни это никак не сказалось.

Молекулярные механизмы генетической детерминации продолжительности жизни пока неизвестны. В последнее время широко распространилась точка зрения о том, что генетический материал — хромосомная ДНК — служит инициальным субстратом старения. Это значит, что старение начинается с накопления повреждений в ДНК, которые постепенно разрушают систему генетической регуляции. Многочисленные нарушения внутриклеточной регуляции, проявляющиеся и на уровне тканей, органов и организма, представляют собой важнейшую характеристику процесса старения в целом. Ионизирующие излучения и химические мутагены, дефекты репарации ДНК, ускоряющие накопление повреждений в геноме, снижают продолжительность жизни. Наконец, эндогенные факторы, в частности свободные радикалы — побочные продукты клеточного метаболизма, в числе других химических компонентов клетки повреждают и генетические молекулы. Предполагается, что нарушение генов регуляции систем репарации, постепенно развивающееся под действием эндогенных факторов, приводит к накоплению ошибок в процессе «текущего ремонта» ДНК вплоть до ее деградации с последующей гибелью клетки. Одна из задач генной инженерии, находящаяся в стадии разработки,— получение высокоэффективных генов, кодирующих ферменты репарации ДНК и введение их в клетки животных и человека с целью увеличения продолжительности жизни. Это лишь одна из задач по управлению индивидуальным развитием живых организмов генетическими методами, которые будут решаться в недалеком будущем.


6. Молекулярные основы процесса старения и генетическая картина онтогенеза

Давно известно, что у старых организмов активность и жизнеспособность клеток резко понижены, что и является главной причиной старческого дряхления и естественной смерти. Сцилард (Szilard, 1959) первым высказал предположение, что пониженная жизнеспособность клеток в старости вызывается накоплением ошибок при репродукции молекул нуклеиновой кислоты и образованием под контролем таких дефективных молекул молекул белков-ферментов, имеющих неправильное строение и неспособных к нормальному осуществлению своих ферментативных функций.

Позднее ряд генетиков (Г. Д. Бердышев, Л. Хейфлик, Д. Саудерс и др.) предложили несколько иную трактовку этого вопроса. Они высказали предположение, что смерть клеток, сопровождающаяся отмиранием тканей, является нормальным запрограммированным событием в развитии многоклеточных животных и что старение и естественная смерть клеток заранее запрограммированы и определяются теми же механизмами, от которых зависит продолжительность жизни всего организма. При этом принимается, что старение животного происходит в результате накопления ошибок в генетической программе, направляющей процессы развития клеток. С течением времени в ДНК делящихся клеток собирается все больше и больше ошибок, хотя система, управляющая воспроизведением ДНК, работает очень точно, но точность эта не абсолютна.

В настоящее время молекулярная генетика рисует такую картину онтогенеза. Зигота, возникающая в результате слияния мужской и женской гамет, получает от них два гаплоидных набора хромосом с заключенными в них молекулами ДНК, находящимися в неактивном, двухцепочечном состоянии.

Затем некоторые из молекул ДНК переходят в одноцепочечнос состояние и определяют синтез соответствующих им молекул РНК-посредника и белков-ферментов, активных в самом начале онтогенеза. Но большинство молекул ДНК, связанные с молекулами гистонов, сохраняют свое двухцепочечное строение и остаются в пассивном состоянии.

В начале специализации некоторые клетки получают сигналы, стимулирующие активность определенных генов-регуляторов, которые контролируют синтез белков, воздействующих на соответствующие молекулы ДНК- Это приводит к отделению от них гистонов и вызывает переход их в одноцепочечную форму с образованием РНК-посредника и белков-ферментов, определяющих изменение биосинтеза в направлении, соответствующем характеру специализации этих клеток.

При различной специализации стимулируется активность разных генов-регуляторов, которые в свою очередь активируют ДНК различных структурных генов. Сигналы приходят из других клеток или возникают в цитоплазме самой клетки в результате изменения обмена веществ или местоположения клетки.

С течением времени происходит накопление ошибок при синтезе молекул ДНК, наступает старческое ослабление и гибель клеток. Все эти особенности онтогенеза сформировались и сохраняются в результате естественного отбора, который обеспечивает характер индивидуального развития и сроки жизни отдельных особей, наиболее благоприятные для успеха в борьбе за существование и процветания вида.

Литература

Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.

Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
Л. С. Чернин.
 – М.: Высш. шк., 1985.


ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ

И ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  ЭВОЛЮЦИИ (2 часа)

Лекция 16

Популяция, и её генетическая характеристика

 Цель лекции: ознакомить учащихся с типами популяций, генетическими особенностями популяций апомиктов, самоопылителей и перекрестноразмножающихся организмов, изучить закон Харди-Вайнберга и генетическую структуру рас человека.

План лекции:

1. Генетическая структура популяций. Типы популяций.

2. Генетическая структура популяции апомиктов.

3. Генетическая структура популяции самоопылителей.

4. Генетическая структура популяций перекрестно-размножающихся организмов.

5. Основные факторы генетической динамики популяций

1. Генетическая структура популяций. Типы популяций

 На всех уровнях организации живой материи (молекулярном, хромосомном, клеточном, организменном) действуют одинаковые, механизмы и законы наследственности и есть факторы, нарушающие эти закономерности и приводящие к изменениям признаков и свойств организмов. Но все виды на Земле существуют в форме не разрозненных особей, а их совокупностей. Группа, или совокупность особей, относящихся к одному виду, заселяющих определенное пространство и имеющих сходные механизмы адаптации к условиям обитания, называется популяцией. Изучением генетических процессов на уровне популяции занимается популяционная генетика.

 Первые исследования структуры популяций были проведены еще в 1903 г. В.Иоганнсеном. Вслед за этим началось интенсивное изучение генетических процессов в популяциях. В то время эволюционисты всего мира враждебно относились к менделизму. Их представления о наследственности и изменчивости носили расплывчатый характер, а основную роль в эволюционном процессе они отводили изменениям отдельных особей. В 1926г. была опубликована работа С. С. Четверикова «О некоторых моментах эволюционного учения с точки зрения современной генетики», в которой была сделана попытка связать эволюционное учение с генетикой. Четвериков стремился показать, что эволюционный процесс надо изучать не на уровне отдельных особей, так как это уводит к ламаркизму, а на уровне популяций.

 Интенсивное исследование генетической структуры популяций началось в 40—60-е годы нашего века и продолжается в настоящее время. Теорию популяций развили глубже и предложили математические методы для изучения ее структуры С. Райт, Р. Фишер, Дж. Холдейн, Н. В. Тимофеев-Рессовский, Н. П. Дубинин и др.

 Все популяции можно условно разделить на три категории в зависимости от степени их изолированности, а также регулярности и постоянства связей особей разных популяций.

Самые крупные географические популяции разобщены географическими факторами (горы, реки, водоемы и др.). Такие популяции относительно независимы, самостоятельны (например, материковые и островные популяции животных, растений одного и того же вида). Связи между ними осуществляются эпизодически, да и то преимущественно в пограничных районах. Поэтому крупные географические популяции относительно устойчивы.

 В состав географических популяций входят экологические популяции, разобщенные между собой вследствие действия экологических факторов (климат, сезонность и т. д.). Таковыми можно считать популяции летнего и осеннего лёта бабочек, двукрылых и других насекомых; пресноводные и морские популяции лососевых рыб и т. д. Изоляция экологических популяций относительна, вследствие чего возможны более регулярные миграции особей одной популяции в другую. Связи в таких популяциях приобретают периодический, сезонный, характер.

 Каждая крупная географическая или экологическая популяция состоит из сравнительно мелких элементарных популяций, самостоятельность которых носит эпизодический характер. Элементарные популяции часто разобщены в результате действия биологических факторов изоляции. К последним можно отнести физиологические (инстинкты, суточная и сезонная половая активность, уровень последней и др.) и генетические (наличие у особей в популяции хромосомных аберраций, полиплоидии, повышенного уровня концентрации летальных мутаций, ядерно-цитоплазматической несовместимости и т. д.) факторы, оказывающие влияние на некоторые физиологические свойства особей (жизнеспособность, продолжительность жизни, половая активность, плодовитость) и их поведенческие реакции. В элементарных популяциях наблюдаются довольно регулярные и частые миграции особей одной популяции в другую, что делает связи таких популяций сравнительно широкими и постоянными.

 Любые категории популяций состоят из особей различных возрастных групп, которые иногда живут совершенно раздельно (головастики, сеголетки и взрослые особи у амфибий; личинки, куколки и имаго у насекомых и др.). Популяции включают также различные функциональные группы особей (мужские и женские особи; социальные касты у пчел и муравьев и т. д.).

 Однако популяция — не просто совокупность, множество самостоятельных особей одного вида, отличающихся фенотипически и генотипически; это единая, целостная живая система, организм, состоящий из многих особей одного вида. Этот организм, как и все живое, сформировался под влиянием определенных экологических факторов в результате действия естественного отбора. Будучи целостной живой системой, популяция обладает такими свойствами, как наследственность и изменчивость. Наследственность популяции проявляется определенными закономерностями распределения в ней фенотипов, генотипов и аллелей. Генетический состав популяции относительно постоянен и может изменяться под действием факторов среды. Популяции свойственны два типа изменчивости: групповая (различия между популяциями) и индивидуальная (различия между особями одной популяции). И групповая и индивидуальная изменчивости могут носить экологический, модификационный, характер. Модификационная изменчивость в ряде случаев оказывается приспособительной, но преимущественно для отдельных особей. В основе приспособления к экологическим условиям популяции в целом лежит генотипическая изменчивость (мутации, комбинации).

 Генетическая информация популяции, т. е. совокупность генов всех особей ее, сложившаяся в процессе эволюции, составляет генофонд популяции. Каждая особь популяции является временным носителем части ее генофонда. Она может привнести один или несколько новых генов вследствие мутации, но в целом этот вклад невелик.

 Исходя из характера и способа размножения особей, различают три группы популяций: апомиктически размножающихся организмов, самоопылителей и перекрестно-размножающихся организмов. Генетическая структура популяций во многом определяется типом размножения особей и представляет собой совокупность таких процессов, как особенности наследования и распределения аллелей, генотипов и фенотипов в популяции, а также типов ее изменчивости.

2. Генетическая структура популяции апомиктов

 Апомиксис — это один из способов бесполого размножения. Он наблюдается у некоторых видов растений (роды Rubus, Potentilla, Hypericum, Hieracium, Crepis и др.), у которых размножение происходит посредством настоящих семян, но они образуются без оплодотворения. При апомиксисе яйцеклетка содержит нередуцированный набор хромосом вследствие изменения процесса мейоза. Такая яйцеклетка развивается партеногенетически. Апомиксис исключает оплодотворение, а также генетическое расщепление. Поэтому генетический состав апомиктической популяции меняется незначительно. При апомиксисе в популяции образуются клоны с изогенными особями, которые повторяют признаки родительских. В связи с этим и генетическая структура и фенотип популяции относительно однородны. Превалирующим типом изменчивости здесь следует считать модификации; комбинативная изменчивость практически исключается, а привнос спонтанных мутаций невелик. В условиях оптимального приспособления популяции к определенным экологическим условиям апомикты хорошо выживают и широко распространяются. Однако изменение условий обитания может привести их к вымиранию, так как среди генетически однородных особей не окажется рекомбинантов, придающих популяции определенную пластичность в процессе приспособления к новой среде.

3. Генетическая структура популяции самоопылителей

 Генетическая структура популяции самоопыляющихся организмов (сем. злаковых — ячмень, пшеница; сем. бобовых) характеризуется известной степенью гомозиготности особей по ряду генов. Самоопыление, приводя к гомозиготации особей, вовсе не делает популяцию генетически однородной. При самоопылении особей, гетерозиготных по одной паре аллелей, например Аа, в ряду поколений будет постоянно уменьшаться число гетерозигот, по при этом выщепятся по крайней мере две генетически неодинаковые гомозиготные чистые линии: АА и аа. Если учесть, что гомозиготация идет не по одной, а по многим парам аллелей, легко предположить, сколько чистых линий с различной комбинацией гомозигот по каждой паре аллелей может образоваться в популяции. Например, гомозиготация по двум парам аллелей приведет к формированию четырех чистых линий: ААВВ, ААвв, ааВВ и аавв.

 Чистая линия представляет собой потомство одного гомозиготного организма. Особи в пределах чистой линии генетически однородны и имеют сходный фенотип — различия особей внутри чистой линии носят, как правило, модификационный характер (например, у злаков одного вида сходные по генотипу особи могут различаться по длине колоса, числу колосков в колосе, размеру и весу семян). Не исключается и возможность нарушения генетической чистоты линии за счет возникновения мутаций. Популяция самоопылителей состоит из чистых линий и потому генетически и фенотипически неоднородна. Фонд генетической изменчивости такой популяции составляют фенотипические и генотипические различия между чистыми линиями. Прекрасной иллюстрацией этого являются селекционные опыты (отбор по весу семян) в популяциях и чистых линиях фасоли, проведенные В. Иоганнсеном в 1903 г. Изменчивость по весу семян в исходной популяции фасоли выражалась вариационной кривой, где крайние значения веса семян составляли 150 и 750 мг. Иоганнсен провел отбор и в дальнейшем отдельно высевал семена с весом 250—350 мг и 550—650 мг. В потомстве средний вес семян был соответственно 443,4 и 518,7 мг. При дальнейшем отборе крупных и мелких семян в чистых линиях изменения среднего веса семян не наблюдалось ни в одном из последующих шести поколений. На основании полученных данных Иоганнсен сделал вывод, что изменчивость особей в пределах чистых линий ограничивается модификациями и потому отбор в них бесперспективен. Отбор действует лишь на популяцию, так как она представляет собой генетически неоднородный материал.

 Исследования Иоганнсена — хорошая теоретическая основа для селекции. Генетически грамотный селекционер не станет вести отбор по признаку у самоопылителей в пределах чистой линии, ибо он успехов не принесет.

 Таким образом, в популяции самоопылителей наблюдается тенденция к гомозиготации и распаду популяции на генетически однородные чистые линии. Однако в связи с тем, что наряду с самоопылением иногда возможно перекрестное опыление, а также вследствие постоянно возникающих мутаций в популяции всегда сохраняется известный уровень гетерозиготности по отдельным локусам. Это обусловливает определенную пластичность ее в процессе приспособления к среде обитания. Если же при гомозиготации в популяции происходит выщепление вредных мутаций, это нередко приводит к депрессии ее и даже вырождению.

4. Генетическая структура популяций перекрестноразмножающихся организмов

 К популяциям перекрестноразмножающихся организмов относятся популяции большинства видов животных и растений, размножающихся половым путем посредством свободного скрещивания особей друг с другом. Предполагается, что в такой популяции все особи обладают одинаковой вероятностью к случайному свободному скрещиванию, которое называется панмиксией. Особенности и закономерности наследственности и изменчивости в популяции перекрестноразмножающихся организмов обычно исследуются на примере панмиктической популяции, где случайное свободное скрещивание особей протекает при отсутствии отбора. Естественно, что существование столь идеальной популяции в природе маловероятно.

 При перекрестном размножении в популяции идет постоянная, непрерывная гибридизация, результатом которой является максимальная гетерозиготность ее по многим генам. В основе гетерозиготности популяции лежат такие явления, как генетическая разнородность особей, вступающих в скрещивание, и постоянный процесс рекомбинации генов при перекрестном половом размножении. Следовательно, гибридные особи каждого последующего поколения имеют шансы все более отличаться друг от друга, а также от особей предыдущих поколений и генотипически и фенотипически. Примером служит большая фенотипическая разнородность у перекрестноопыляющейся ржи, чем у самоопыляющейся пшеницы.

 Свободное скрещивание особей с непрерывным процессом возникновения новых комбинаций генов, на первый взгляд, может привести к беспорядочной изменчивости популяции. Однако именно свободное скрещивание предохраняет ее от хаоса в наследовании и приводит к состоянию относительного равновесия генотипов, аллелей и фенотипов. С. С. Четвериков писал: «В самом механизме свободного скрещивания заложен аппарат, стабилизирующий численности компонентов данного сообщества. Всякое изменение соотношения этих численностей возможно только извне и возможно только до тех пор, пока действует та внешняя сила, которая это равновесие нарушает».

 В 1904 г. К. Пирсон установил закон стабилизирующего скрещивания, который в 1908г. подтвердили математик Г. Харди и врач В. Вайнберг, предложив независимо друг от друга формулу (формула Харди — Вайнберга), отражающую характер распределения аллелей, генотипов и фенотипов в популяции. Обозначив частоту гена А буквой р, а гена а q, с помощью решетки Пеннета можно представить в обобщенном виде распределение аллелей в популяции (таблица 1).

Таблица 1 – Распределение частот генотипов в условиях свободного скрещивания при заданных соотношениях гамет

Самцы

Самки

p А

q а

p А

q а

p2 АА

pq Аа

pq Аа

q2 аа

В условиях свободного скрещивания соотношение аллелей и генотипов в описанной популяции будет выглядеть следующим образом:

р2АА : 2pqAa : а2аа.

Сущность закона стабилизирующего скрещивания, как пишет Четвериков, сводится к тому, что «в условиях свободного скрещивания при любом исходном соотношении численности гомозиготных и гетерозиготных родительских форм в результате первого же скрещивания внутри сообщества устанавливается состояние равновесия...» и, как бы не было нарушено извне это равновесие, «...в результате первого же за тем скрещивания внутри сообщества устанавливается новое равновесие и сохраняется до тех пор, пока какая-нибудь внешняя сила вновь не выведет его из этого состояния».

Формула Харди — Вайнберга отражает соотношение в популяции особей с доминантными и рецессивными признаками, относительную частоту гомозигот и гетеро-зигот, частоту аллелей по одному локусу. С помощью этой формулы можно рассчитать в заданной популяции указанные частоты. Например, в Балтиморе в популяции из 5000 человек 3200 (64%) обладают способностью свертывать язык трубочкой (доминантный признак, детерминированный геном R), а 1800 (36 %) человек такой способностью не обладают (рецессивный ген г). Следовательно, частота гомозигот гг равна 0,36, а лиц с генотипами RR и Rr - 0,64. Исходя из того, что частота гг, т. е. q2 = 0,36, q= 0,6 (√q2), атак как p + q=1, то р= 1 - q = 0,4, т. е. частота аллеля R (р) составит 0,4. По формуле Харди — Вайнберга можно определить и частоту гомозигот RR и гетерозигот Rr. Если р = 0,4, то р2 = 0,16, т. е. частота лиц с генотипом RR составит 16 %. Частота гетерозигот равна 2pq — 0,48, или 48 % (2·0,4·0,6).

 Таким образом, пользуясь формулой Харди — Вайнберга и имея данные по частоте встречаемости в популяции какого-либо рецессивного признака (например, альбинизм, глухота), можно определить примерную частоту гена и гетерозиготных носителей его в популяции. Она демонстрирует связь между частотами аллелей одного гена, соотношение в популяции особей с генотипами АА, Аа и аа, отражает закономерности наследования только в панмиктических популяциях и для самоопылителей неприменима.

 Однако и в популяциях свободно скрещивающихся особей эта формула пригодна лишь для простых случаев моногенного аутосомного наследования. При этом частота определенных фенотипов зависит не только от частоты аллеля, но и от того, доминантен он или рецессивен. Проявление доминантного признака в свою очередь связано как с частотой контролирующего его гена в популяции, так и со степенью выраженности (экспрессивности) и пенетрантности самого признака.

 Формула Харди — Вайнберга может быть применима для определения частот генов и генотипов лишь на какой-то данный момент в заданной популяции, где соблюдаются следующие необходимые условия:

  •  популяция должна быть достаточно многочисленной, чтобы избежать ошибок в статистическом анализе;
  •  все особи популяции должны обладать одинаковой вероятностью к скрещиванию;
  •  все особи должны с одинаковой вероятностью образовывать все типы гамет;
  •  все типы гамет должны быть одинаково жизнеспособными;
  •  мутации гена, по которому ведется расчет, должны быть очень редкими, чтобы их частотой можно было бы пренебречь, или же частота прямых и обратных мутаций должна быть одинаковой;
  •  все особи должны быть одинаково жизнеспособными, т. е. исключается действие естественного отбора;
  •  популяция должна быть максимально изолированной, а процессы миграции редкими или же вовсе отсутствовать.

 Эти условия в природных популяциях нереальны. Популяция постоянно меняет свою генетическую структуру вследствие возникновения новых мутаций, действия естественного отбора, миграции особей одной популяции в другую и т. д. Изменение равновесного состояния по аллелям и генотипам в популяции характеризует изменчивость ее, т. е. генетическую динамику.

Основные факторы генетической динамики популяций

 Основными механизмами, высыпающими изменения частот генов в популяции, являются:

гибридизация (способ передачи существующих генов из одной популяции в другую). В результате гибридизации возникают совершенно новые комбинации генов;

мутации приводят к возникновению наследственных изменений. Генные мутации могут возникнуть в любой момент, но проявятся не всегда. Наиболее важными являются мутации, возникающие при гаметогенезе. Накопление в популяции рецессивных летальных, полулетальных и других мутаций образует своеобразный «генетический груз» данной популяции. Генетический эффект такого груза проявится не сразу, но недооценивать опасность таких генов для будущих поколений нельзя;

дрейф генов предполагает быстрое изменение частот генов в популяции. Дрейф генов часто называют эффектом Райта, изучившего влияние случайности как эволюционного фактора. В небольших популяциях могут возникать колебания частот генов, фиксироваться или утрачиваться случайным образом. В прошлом структура популяции создавала идеальные условия для дрейфа генов. Генетическим дрейфом называется изменение частот аллелей в ряду поколений, вызываемое случайными причинами, например малочисленностью популяции. В таких популяциях не образуются всевозможные комбинации гамет, некоторые генотипы появлялись с наибольшей вероятностью. Случайность оказывается существенным фактором, приводящим к дрейфу генов в следующих ситуациях:

ген, создающий эволюционные преимущества, может неоднократно возникать путем мутаций прежде, чем станет фиксированным; будучи очень редким, он легко утрачивается, не попадая в зиготу;

при переселении на новые территории небольшая группа может утратить редко встречающиеся гены, а генный комплекс приспособится к их отсутствию (явление «родоначальника»);

 Дрейф генов – процесс совершенно случайный: он относится к особому классу явлений, называемых ошибками выборки.

 Правильное представление о численности популяции даёт не общее число особей в популяции, а так называемая эффективная численность, определяемая по числу особей, дающих начало следующему поколению. Это объясняется тем, что в генофонд следующего поколения вносят вклад лишь особи, являющиеся в предыдущем поколении родителями, а не вся популяция в целом.

естественный отбор оказывает на организм свое влияние через фенотипы, формируя генотипы организмов таким образом, чтобы получаемые вновь фенотипы оказывались приспособленными к среде обитания. Если индивид обладает признаком, обеспечивающим большую жизнеспособность или плодовитость по сравнению с другими членами популяций, то он оставит более многочисленное потомство. Показано, что отбор оказывает свое действие посредством репродуктивной приспособленности отдельных индивидов или их гамет;

 Отбор является самым важным фактором, который изменяет структуру популяций в желанном направлении. Естественный и искусственный отбор значительно влияет на структуру популяций. Например, если в естественных условиях некоторые генотипы будут иметь приоритет над другими, будучи более жизнеспособными, они оставят больше потомков, и структура популяции изменится в сторону приоритетной.

 Естественный отбор может происходить на разных этапах – гамет, зигот, эмбриона и постэмбриональном.

 В случае искусственного отбора человек выбирает индивидов с высокой продуктивностью, и такие генотипы используются для получения потомков. Таким образом некоторые генотипы выбираются, а другие – исключаются. В следствии структура будущей популяции изменится в сторону искусственного отбора. Искусственный отбор ведёт к исключению из популяций одних генотипов, и к аккумуляции других. К примеру, тех, которые характеризуются большей продуктивностью.

  

 Принципы воздействия искусственного и естественного отбора на структуру популяций одинаковы – они приводят к увеличению частоты генотипов.

 Отбор не приводит к потоку новых генов в популяции, но при исключении одних генотипов, способствует изменению частоты аллелей и уже в последующих поколениях будет нарушено соотношение генотипов.

  •  полиморфизм, некоторые гены в популяциях представлены множественными аллелями. По этому признаку популяция будет полиморфной. Форд определил полиморфизм как сосуществование различных обособленных форм по данному признаку особей в одной популяции. Многие признаки остаются в популяции более или менее постоянно, что приводит к «сбалансированному полиморфизму» (например: пол, система группы крови АВО и др.).

Перечисленные выше механизмы, изменяющие частоту генов в пределах популяции, являются причиной возрастания многообразия.

  •  миграция или поток генов возникает, когда особи из одной популяции перемещаются в другую и скрещиваются с представителями второй популяции. Поток генов не изменяет частот аллелей у вида в целом, но в локальных популяциях они могут измениться, если у старожилов и пришельцев исходные частоты аллелей различны.
    В следствие миграции изменяется структура популяции в зависимости от новых поступивших генотипов, часто появляются новые аллели, которые в популяции не наблюдались.
  •  изоляция.

 Если индивиды одной популяции не скрещиваются с индивидами другой популяции, то такая популяция называется изолированной.             

Различают 3 типа изоляции:

- географическая

- экологическая

- биологическая

 1. Географическая: появляется благодаря географическим условиям (горы, реки, болота), которые не позволяют индивидам других популяций перейти эти барьеры для воспроизводства.

 2. Экологическая: появляется как результат климатических факторов. К примеру популяции рыб, которые возвращаются из моря в реки для нереста специфичны для каждой реки.

 3. Биологическая: подразделяется на генетическую и физиологическую. Когда происходит нарушение в мейозе, мутац. полиплодия и д. происходит генетическая изоляция с генетическим признаком.

 При физиологической изоляции происходят различные изменения в условных рефлексах, в структуре и в физиологии половых органов, охоты и д.

  •  инбридинг.

 В тех случаях, когда скрещивание неслучайно, т. е. особи с определёнными генотипами спариваются между собой чаще, чем этого следует ожидать на основе случайности, говорят о ассортативном скрещивании.

 Особенно форму такого скрещивания представляет инбридинг, при котором скрещивание между родственными особями происходит чаще, чем можно было бы ожидать на основе случайности.

 Поскольку родственные особи в генетическом отношении более сходны между собой, инбридинг ведёт к повышению частоты гомозигот и снижению частоты гетерозигот по сравнению теоретически ожидаемой при случайном скрещивании, хоты и не изменяет частот аллелей. Самым крайним случаем инбридинга является самооплодотворение или самоопыление. Инбридинг часто применяется в садоводстве и в животноводстве. В популяции инбридинг повышает частоту проявления вредных рецессивных аллелей. Мерой генетических последствий инбридинга служит коэффициент инбридинга. Представляющий собой вероятность того, что у какой-либо особи в данном локусе окажутся 2 аллеля, идентичные по происхождению. 2 аллеля с одинаковой нуклеотидной последовательностью ДНК идентичны по структуре, но не обязательно идентичны по происхождению, поскольку они могли быть унаследованы от предков, не состоящих между собой в родстве.

 Селекционеры стремятся вывести сорта растений и породы ж\х, отличающихся максимальными показателями хозяйственно полезных признаков. При этом в качестве родителей в каждом поколении используют наилучшие организмы. Они пытаются получить как можно более однородные сорта и породы. Для этого применяют систематический инбридинг, повышающий гомозиготность. Но известно, что инбридинг обычно приводит к понижению приспособленности потомства вследствие ухудшения характеристик организма как: плодовитость, жизнеспособность, и устойчивость к болезням. Это явление называется инбредной дипрессией. Инбредная дипрессия обусловлена повышением степени гомозиготности по вредным рецессивным аллелям.

Литература

  1.  Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.
  2.  Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев,
    Л. С. Чернин.
     – М.: Высш. шк., 1985.
  3.  Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.
  4.  Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.
  5.  Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.
  6.  Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов,
    В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.


ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА (4 часа)

Лекции 17, 18

Человек как объект генетических исследований 

Цель лекции: ознакомить учащихся условиями и ограничениями генетического анализа у человека, методами изучения генетики человека: генеологическим, цитогенетическим, биохимическим, близнецовым, онтогенетическим, популяционным, сформировать понятие о геноме человека.

План лекции:

1. Человек как объект генетических исследований.

2. Генеалогический метод.

3.Близнецовый метод.

4. Популяционно-статистический метод.

5. Цитогенетический метод.

6. Метод генетики соматических клеток.

7. Биохимический метод.

8. Молекулярно-генетический метод.

9. Видимое строение хромосом человека и их морфология. Классификация и тонкая структура хромосомы.

1. Человек как объект генетических исследований

    Основные закономерности наследственности, установленные для живых организмов универсальны и в полной мере справедливы и для человека. Вместе с тем как объект генетических исследований человек имеет свои преимущества и недостатки.

     Для людей невозможно планировать искусственные браки. Еще в 1923 г. Н. К. Кольцов отмечал что"... мы не можем ставить опыты, мы не можем заставить Нежданову выйти замуж за Шаляпина только для того, чтобы посмотреть, какие у них будут дети". Однако эта трудность преодолима благодаря прицельной выборке из большого числа брачных пар тех, которые соответствуют целям данного генетического исследования.

     В значительной мере затрудняет возможности генетического анализа человека большое число хромосом – 2n = 46. Однако разработка новейших методов работы с ДНК, метода гибридизации соматических клеток и некоторых других методов устраняют эту трудность.

    Из-за небольшого числа потомков невозможен анализ расщепления в потомстве одной семьи. Однако в больших популяциях можно выбрать семьи с интересующими исследователя признаками. Кроме того, в некоторых семьях определенные признаки прослежены на протяжении многих поколений. В таких случаях возможен генетический анализ. Еще одна трудность связана с длительностью смены поколений у человека. Одно поколение у человека занимает в среднем 30 лет. И, следовательно, генетик не может наблюдать более одного-двух поколений.

     Для человека характерен большой генотипический и фенотипический полиморфизм. Проявление многих признаков и болезней в сильной степени зависят от условий внешней среды. Следует отметить, что понятие " среда" для человека более широкое по сравнению с растениями и животными. Наряду с питанием, климатом и другими биотическими и абиотическими факторами, средой для человека являются и социальные факторы, трудно изменяемые по желанию исследователя. Вместе с тем, человека как генетический объект широко изучают врачи всех специальностей, что нередко помогает установить различные наследственные отклонения.

      В настоящее время интерес и внимание к изучению генетики человека активно возрастают. Так, глобальная международная программа " Геном человека" имеет своей задачей изучение генома человека на молекулярном уровне. Для ее решения используются все новейшие современные методы генетики и медицины. Рассмотрим подробнее каждый из них.

2. Генеалогический метод

        Относящийся к числу основных в генетике человека, этот метод опирается на генеалогию – учение о родословных. Его сутью является составление родословной и последующей ее анализ. Впервые такой подход был предложен английским ученым Ф. Гальтоном в 1865 г.

        Генеалогический метод широко используется для решения как научных, так и прикладных проблем. Он позволяет выявить наследственный  характер признака и определить тип наследования. Наряду с этим метод дает возможность установить сцепленное наследование, определить тип взаимодействия генов и пенетрантность аллелей. Генеалогический метод лежит в основе медико-генетического консультирования. Он включает два этапа: составление родословных и их генеалогический анализ.      

СОСТАВЛЕНИЕ РОДОСЛОВНОЙ

Сбор сведений о семье начинается с человека, называемого пробандом. Обычно это больной с изучаемым заболеванием. Дети одной родительской пары называются сибсами. В большинстве случаев родословная собирается по одному или нескольким признакам. Родословная может быть полной или ограниченной. Чем больше поколений прослежено в родословной, тем она полнее и тем выше шансы на получение полностью достоверных сведений.

Сбор генетической информации проводится путем опроса, личного обследования семьи. Опрос начинается обычно с родственников по материнской линии: бабушки и дедушки по материнской линии, с указанием внуков, детей каждого ребенка бабушки и дедушки. В родословную вносят сведения о выкидышах, абортах, мертворожденных, бесплодных браках.

При составлении родословной ведется краткая запись данных о каждом члене рода с указанием его родства по отношению к пробанду. Обычно указываются: фамилия, имя и отчество, дата рождения и смерти, возраст, национальность, место жительства семьи, профессия, наличие хронических заболеваний  в семье, причину смерти умерших.

После сбора сведений составляют графическое изображение родословной, используя систему условных обозначений.

Выполняя эту работу, важно соблюдать следующие правила:

1.Составление родословной начинают с пробанда. Братья и сестры располагаются в порядке рождения слева направо, начиная со старшего.

2.Все члены родословной располагаются строго по поколениям в один ряд.

  3.Поколения обозначаются римскими цифрами слева от родословной сверху вниз.

  4.Арабскими цифрами нумеруется потомство одного поколения слева направо.

  5.В связи с тем, что некоторые болезни проявляются в разные периоды жизни, указывается возраст членов семьи.

  6.Отмечаются лично обследованные члены родословной.

Графическое изображение родословной может быть вертикально- горизонтальным или расположенным по кругу.

 

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РОДОСЛОВНОЙ

Задача генетического анализа – установления наследственного характера заболевания и типа наследования, выявления гетерозиготных носителей мутантного гена, а также прогнозирования рождения больных детей в семьях с наследственной патологией.

       Анализ родословной включает следующие этапы:

  1.Установление, является ли данный признак или заболевания единичным в семье или имеется несколько случаев. Если признак встречается несколько раз в разных поколениях, то можно предполагать, что этот признак имеет наследственную природу.

  2.Определение типа наследования признака. Для этого анализируют родословную, учитывая следующие моменты:

  •  Встречается ли изучаемый признак во всех поколениях и многие ли члены родословной обладают им;
  •   Одинакова ли его частота у лиц обоих полов и у лиц какого пола он встречается чаще;

-    Лицам какого пола передается признак от больного отца и больной матери;

-   Есть ли в родословной семьи, в которых у обоих здоровых родителей рождались больные дети, или у обоих больных родителей рождались здоровые дети;

-     Какая часть потомства имеет наследуемый признак в семьях, где болен один из родителей.

В У – хромосоме у мужчин локализовано не много генов. Они передаются только сыновьям и никогда дочерям. С У – хромосомой у мужчин наследуются такие признаки, как гипертрихоз, кожные перепонки между пальцами ног, развитие семенников, интенсивность роста тела, конечностей и зубов.

3.Близнецовый метод

Это метод изучения генетических закономерностей на близнецах. Впервые он был предложен Ф. Гальтоном в 1875 г. Близнецовый метод  дает возможность определить вклад  генетиче