Формирование признаков и фенотипический эффект. Фенотип и факторы, определяющие его становление. Простые и сложные признаки. Экспрессивность, пенетрантность. Виды взаимодействия неаллельных генов

Сегодня специалисты уделяют особое внимание фенотипологии. Они способны за считанные минуты "раскусить" человека и рассказать о нем множество полезной и интересной информации.

Особенности фенотипа

Фенотип - это все характеристики в целом, которые присущи индивиду на определенной стадии его развития. Таким образом, можно смело сказать, что фенотипы человека в течении всей его жизни могут изменяться.

Каждая черта или характеристика живого существа, которая наблюдается, определяет фенотип человека. Признаки фенотипа - это особенности человека:

• развитие;
• морфология;
• физиологические характеристики;
• биохимические свойства;
• поведение и т.д.

Фенотипы первоначально формируются под действием генотипа. Также влияют и факторы окружающей среды. К фенотипу относятся и клинически определяемые факторы:

• рост;
• группа крови;
• цвет и тип волос;
• цвет глаз.

Фенотипология

Фенотипология - это относительно новая наука, которая способна провести экспресс-диагностику характера человека по его внешним признакам.

Смело можно заявить, что фенотип - это внешность генетики. Человек, который освоит фенотипологию, может быстро и легко прочитать на лице человека многие его личностные особенности, характер.

Фенотипология - это «мощное оружие», которое пригодится каждому человеку в деловой отрасли, продажах, воспитании и т.д.

Фенотипология - это наука, которая говорит о взаимосвязи психофизиологических и психофизических характеристик в поведении человека, основываясь на индивидуальных признаках фенотипа личности.

Фенотип - это все признаки биологического индивида в конкретный момент его жизни. Формирование происходит при участии генотипа под влиянием окружающей среды. Таким образом, фенотип является различной реализацией генотипа в каждом конкретном случае.

Автором фенотипологии Марком Лучини были выделены около 140 основных признаков фенотипа. Различные специалисты насчитывают их до 10 в 30 степени. Это свидетельствует о том, что каждый человек является индивидуальной личностью. Теперь можно смело сказать, что соотношение фенотипов может быть различным.

Полным комплексом навыков и знаний по фенотипологии можно овладеть за учебный курс от 30 до 55 академических часов.

Возможности фенотипологии

За 4 минуты обученный фенотипологии человек может определить такие черты характера :

• направленности и степень маниакальности;
• пределы, перспективы и ориентацию генетического потенциала интеллекта;
• особенности сексуальности, учитывая склонность к извращениям или плотоядным ощущениям;
• моральная характеристика человека (честность, подлость, преданность, лживость, двуличность и т.д.);
• генетическая склонность человека к нестандартным поступкам, учитывая и криминальность;
• воля человека (способность противостоять агрессии, отстаивать свою точку зрения и т.д.);
• склонность к героизму и сумасбродным поступкам (учитывая и склонность к убийству, подвигу, самоубийству и т.д.);
• порог раздражительности, качество нервной системы ;
• склонность к морализму;
• недееспособность, дееспособность;
• трусость, смелость, скрытость;
• упрямство;
• жажда авторитета, озабоченность своим внешним видом;
• внимательность, подозрительность, проницательность;
• практические, коммерческие, хищнические и деловые задатки;
• и так далее, всего 140 качеств

Степень точности результатов после проведения работы специалистами составляет 80-95%.

Нужны ли знания о фенотипах?

На самом деле, знание фенотипологии необходимо каждому человеку. Ведь мы живем в обществе, а значит, постоянно окружены социумом.

Где же особенно важны знания фенотипологии?

1. Различные кадровые аудиты, в том числе и люди, которые имеют высокую степень допуска к важной, секретной информации.
2. Продажи, переговоры, общение и покупки.
3. Криминалистика.
4. Воспитание.
5. Социальная и политическая сфера.
6. Анализ исторических личностей.
7. Расшифровка поступков людей, который уже умерли.
8. Разработка сценического образа различных литературных героев.
9. Подбор грамотного имиджа.
10. Психологический макияж.

Вывод

Фенотип - это совокупность всех характеристик, которые присущи индивиду на определенной стадии развития. Знания о фенотипе позволяют за минимальное время охарактеризовать человека и особенности его характера.

Многочисленные опыты подтвердили правильность установленных Менделем закономерностей. Вместе с тем, появились факты, показывающие, что полученные Менделем числовые соотношения при расщеплении гибридного поколения соблюдались не всегда. Это указывало на то, что взаимоотношения между генами и признаками носят более сложный характер. Выяснилось: один и тот же ген может оказывать влияние на развитие нескольких признаков; один и тот же признак может развиваться под влиянием многих генов .

Следует отметить, что взаимодействие генов имеет биохимическую природу, то есть взаимодействуют друг с другом не гены, а их продукты. Продуктом эукариотического гена может быть или полипептид, или тРНК, или рРНК.

ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ

Различают полное доминирование, неполное доминирование, кодоминирование, аллельное исключение.

Аллельными генами называются гены, расположенные в идентичных локусах гомологичных хромосом. Ген может иметь одну, две и более молекулярных форм. Появление второй и последующих молекулярных форм является следствием мутации гена. Если ген имеет три и более молекулярных форм, говорят о множественном аллелизме . Из всего множества молекулярных форм у одного организма могут присутствовать только две, что объясняется парностью хромосом.

Полное доминирование

Полное доминирование — это вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот не отличается от фенотипа гомозигот по доминанте, то есть в фенотипе гетерозигот присутствует продукт доминантного гена. Полное доминирование широко распространено в природе, имеет место при наследовании, например, окраски и формы семян гороха, цвета глаз и цвета волос у человека, резус-антигена и мн. др.

Наличие резус-антигена (резус-фактора) эритроцитов обусловливается доминантным геном Rh . То есть генотип резус-положительного человека может быть двух видов: или RhRh , или Rhrh ; генотип резус-отрицательного человека — rhrh . Если, например, мать — резус-отрицательная, а отец резус-положительный и гетерозиготен по этому признаку, то при данном типе брака с одинаковой вероятностью может родиться как резус-положительный, так и резус-отрицательный ребенок.

Между резус-положительным плодом и резус-отрицательной матерью может возникнуть резус-конфликт.

Так называется вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву и имеет среднее (промежуточное) значение между ними. Имеет место при наследовании окраски околоцветника ночной красавицы, львиного зева, окраски шерсти морских свинок и пр.

Сам Мендель столкнулся с неполным доминированием, когда скрещивал крупнолистный сорт гороха с мелколистным. Гибриды первого поколения не повторяли признак ни одного из родительских растений, они имели листья средней величины.

При скрещивании гомозиготных красноплодных и белоплодных сортов земляники все первое поколение гибридов имеет розовые плоды. При скрещивании этих гибридов друг с другом получаем: по фенотипу — 1/4 красноплодных, 2/4 розовоплодных и 1/4 белоплодных растений, по генотипу — 1/4 АА , 1/2 Аа , 1/4 аа (и по фенотипу, и по генотипу соотношение 1:2:1). Соответствие расщепления по генотипу расщеплению по фенотипу является характерным при неполном доминировании, так как гетерозиготы фенотипически отличаются от гомозигот.

Кодоминирование

Кодоминирование — вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву, и в фенотипе гетерозигот присутствуют продукты обоих генов. Имеет место при формировании, например, IV группы крови системы (АВ0) у человека.

Для того чтобы представить, как происходит наследование групп крови у человека, можно посмотреть, рождение детей с какой группой крови возможно у родителей, имеющих один — вторую, другой — третью группы крови и являющихся гетерозиготными по этому признаку.

Р	♀I A i 0 II (A)		×	♂I B i 0 III (B)
Типы гамет	I A	i 0		I B	i 0
F	i 0 i 0 I (0) 25%	I A i 0 II (A) 25%		I B i 0 III (B) 25%	I A I B IV (AB) 25%

Аллельное исключение

Аллельным исключением называется отсутствие или инактивация одного из пары генов; в этом случае в фенотипе присутствует продукт другого гена (гемизиготность, делеция, гетерохроматизация участка хромосомы, в котором находится нужный ген).

ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕАЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ

Комплементарность, эпистаз, полимерия.

Неаллельные гены — гены, расположенные или в неидентичных локусах гомологичных хромосом, или в разных парах гомологичных хромосом.

Изменчивость - способность организмов при­обретать новые или утрачивать прежние при­знаки или свойства. Изменчивость обеспечивает способность организма адаптироваться и сущес­твовать в различных жизненных формах, порож­дая колоссальное многообразие живого.

Индивидуальную изменчивость легко обнару­жить у организмов любых видов, стоит лишь под­вергнуть их тщательному обследованию. В челове­ческих популяциях наблюдается изменчивость по характерным чертам лица, цвету и форме волос, пигментации кожи, телосложению, росту, весу, группам крови и т.д. На современном этапе к ос­новным видам изменчивости относят генотипическую (передаваемую по наследству) и фенотипическую (не наследственную) изменчивость.

Физическое и психическое состояние человека, его умственное здоровье зависят от взаимодейст­вия на протяжении всей его жизни особенностей, унаследованных человеком, и факторов внешней среды. Ни наследственность, ни среда не являются неизменными. Нет, не было и не будет двух совер­шенно одинаковых наборов генов (за исключени­ем пары однояйцевых близнецов), и не найдется и двух одинаковых людей, проживших жизнь в одинаковых условиях. Цель науки состоит в том, что-бы определить условия среды, в которой любой ге­нотип будет развиваться нормально. Достижение этой цели затруднено, так как не может существо­вать условий среды, одинаково оптимальных для всех типов наследственности.

11.1. Онтогенетическая изменчивость

Разновидностью фенотипической изменчивос­ти является онтогенетическая изменчивость, кото­рая связана с определенной схемой развития ор­ганизма в процессе онтогенеза, при этом генотип не претерпевает изменений, а фенотип меняется в соответствии с каждым этапом развития, благо­даря морфогенезу и дифференцировке клеток. Морфогенез - это возникновение новых структур на каждом этапе развития, определяемое генети­ческим аппаратом клеток, может осуществляться благодаря контактным и дистантным межклеточ­ным взаимодействиям, которые контролируют этот процесс. В случае нарушений морфогенеза возни­кают тератомы (уродства), в том числе и новообра­зования (см.раздел 6.4). Поскольку эти механиз­мы связаны с «включением» и «выключением» ге­нов, изменчивость этого рода называется - «па-рагеномная», «эпигенетическая», «эпигенотипичес-кая» или «эпигеномная».

Порядок изменений нарушаться не может (вы­пасть или перескочить), т.к. схема развития опреде­лена геномом. Например, один и тот же человек в разные периоды своей жизни выглядит по-разному.

Фенотипическое проявление любого признака обусловлено, в конечном счете, результатом взаи­модействия генов и средовых факторов. Существуют две формы изменчивости: дискретная и не­прерывная. При дискретной изменчивости четко вы­ражены фенотипы, а промежуточные формы от­сутствуют (например, группы крови у человека, резус-фактор).

Признаки, для которых характерна дискрет­ная изменчивость, обычно контролируются одним или двумя генами, и внешние условия мало влия­ют на их фенотипическую экспрессию. Ее иногда называют качественной изменчивостью, посколь­ку она ограничена четко выраженными призна­ками, в отличие от количественной непрерывной изменчивости. У человека примерами непрерыв­ной изменчивости могут быть линейные размеры тела, вес, колебания кровяного давления, рН кро­ви и т.д. Признаки, для которых характерна не­прерывная изменчивость, обусловлены, как прави­ло, совместным взаимодействием многих генов и факторов среды.

Генотип детерминирует любой фенотипический признак, но степень выраженности (экспрес­сия) этого гена зависит от средовых факторов. Не­прерывную фенотипическую изменчивость мож­но определить как «кумулятивный эффект» варьирующих факторов среды, воздействующих на вариабельный генотип. Что касается таких че­ловеческих качеств, как интеллект, поведение, тем­перамент, они зависят как от наследственных, так и средовых факторов. Именно эти различия со­здают фенотипическую индивидуальность у лю­дей. Согласно современным концепциям, именно взаимодействия генетической и средовой измен­чивости являются ведущими в формировании фенотипического разнообразия психологических и психофизиологических особенностей человека. Эта область исследований является пограничной меж­ду генетикой и психологией и в настоящее время обозначается как психогенетика. Исследование за­кономерностей генотип-средового взаимодействия и психологических закономерностей является пред­метом изучения психогенетики.

11.2. Модификационная изменчивость

Модификационная изменчивость отражает из­менение фенотипа под действием средовых условий, не затрагивающих генотип, но определяемых им.

Интенсивность модификационных изменений пропорциональна степени, силе и продолжитель­ности действия на организм фактора, ее вызыва­ющего.

Модифицирующие условия среды воздействуют на организм в чувствительные (критические) перио­ды развития, изменяя их течение. Отрезок времени, в течение которого можно вызвать модификацию определенного признака, называют модификационным периодом. На многие признаки можно вли­ять в течение длительного периода, а для других характерен определенный короткий чувствительный отрезок онтогенеза. Масштабы модификационной изменяемости ограничиваются обусловленной ге­нетически нормой реакции. В некоторые периоды развития модификации могут вообще не образовы­ваться. По способности развивать модификации при­знаки можно разделить на относительно стабиль­ные к среде и лабильные. Различают флуктуиру­ющую и альтернативную модификации, причем в последнем случае речь идет о сдвигах по качествен­ным признакам без переходов (см.раздел 11.3).

Фенотип индивидуума зависит в целом от гено­типа и факторов внешней среды, в которой он су­ществует. Даже в тех случаях, когда различия меж­ду признаками являются чисто генетическими, то для выявления этих признаков необходимы опре­деленные условия внешней среды, и наоборот, раз­личия, обусловленные исключительно факторами среды, касаются признаков, определяемых генети­чески. Например, у жителей высокогорья уровень гемоглобина и эритроцитов в крови значительно выше (на 30%), чем у жителей равнин. Однако спо­собность к изменению числа эритроцитов в зави­симости от парциального давления кислорода обус­ловлена генетически. В большинстве случаев раз­личия между индивидуумами определяются дву­мя группами факторов - генетическими и средовыми. Различия в росте обусловлены генетически, но они подвержены также и влиянию внешней сре­ды. Рост существенно зависит от питания, клима­тических условий и т.д. В таких случаях приходит­ся анализировать то, что Добжанский назвал «нор­мой реакции» организма, определив ее как «пол­ный спектр, весь репертуар различных путей раз­вития, которые могут выявиться у носителей дан­ного генотипа в любой среде». Наследственная ос­нова модификаций связана с генотипически обус­ловленной нормой реакции.

Норма реакции - пределы, в которых возмож­но варьирование (изменение) проявления признака данного генотипа. Иначе говоря, организм насле­дует не признак, как таковой, а способность фор­мировать определенный фенотип в конкретных условиях среды.

Для характеристики модификаций пользуют­ся статистическими показателями: среднее арифметическое, коэффициент вариации, дисперсия, а также используют графическое построение вариа­ционной кривой для характеристики варьирующе­го признака. Модификационная (вариационная) кривая - кривая, параметры которой характери­зуют количественный признак и его вариацию. За­кономерность этой кривой заключена в том, что чем меньше отдельные значения отклоняются от средней, тем чаще они встречаются, и наоборот.

Модификационный размах - широта модифи-кационных изменений признака или организма, характеризующаяся по крайним отклонениям от среднего проявления признака.

Мерой, характеризующей роль факторов на­следственности и среды в определении фенотипической вариабельности, является наследуемость. Наследуемость (Н) - обозначает ту часть общей фенотипической изменчивости, которая обусловле­на генетическими различиями (Lush, 1943). В при­менении к человеку анализ взаимодействия генети­ческих факторов и факторов внешней среды прово­дить, как это делают в популяциях животных и растений, невозможно. Наиболее адекватным яв­ляется близнецовый метод, который позволяет оце­нить относительную роль каждой группы факто­ров в возникновении различий между индивиду­умами (см.раздел 13.3).

11.3. Фенокопии и морфозы

Характер изменений, вызываемых двумя груп­пами факторов, часто бывает сходным: фактор внешней среды и аномальные гены вызывают по­рой сходные эффекты. Например, у женщин, пере­несших краснуху на ранних стадиях беременности,

часто родятся глухонемые дети или дети с врож­денной катарактой. Фенотипы этих отклонений не отличимы от соответствующих генетических анома­лий. Такие изменения относят к фенокопиям.

Фенокопия - изменение признака под влияни­ем внешних факторов в процессе его развития, зависящего от определенного генотипа, ведущего к копированию признаков, характерных для дру­гого генотипа или его отдельных элементов. Та­кие изменения вызваны факторами внешней сре­ды, однако их фенотип напоминает (копирует) про­явление наследственных синдромов. Возникшие фе-нотипические модификации не наследуются (гено­тип не изменяется). Фенотипическая идентичность эффекта мутаций и фенокопии не всегда указыва­ет на прямую связь между действием внешних усло­вий и данной мутацией, т.к. развитие признака идет через ряд связанных между собой звеньев. Конеч­ный фенотипический эффект может не зависеть от того, какое из звеньев цепи было выключено или изменено. Установлено, что возникновение феноко­пии связано с влиянием внешних условий на опреде­ленную ограниченную стадию развития (воздейст­вия до или после прохождения такой чувствитель­ной фазы не приводят к развитию фенокопии). Бо­лее того, один и тот же агент в зависимости от того, на какую фазу он действует, может копировать разные мутации, или же одна стадия реагирует на один агент, другая на другой. Для вызывания од­ной и той же фенокопии могут быть использованы разные агенты, что указывает на отсутствие связи между результатом изменения и воздействующим фактором. Относительно легко воспроизводятся сложнейшие генетические нарушения развития, тог­да как копировать признаки значительно труднее.

Это указывает на то, что легче изменить вторич­ные реакции, чем повлиять непосредственно на дей­ствие гена.

Примером проявления фенокопий могут слу­жить заболевания, приводящие к кретинизму, кото­рые могут обусловливаться наследственными и сре-довыми (в частности, отсутствием йода в рационе ребенка, независимо от его генотипа) факторами.

В подавляющем большинстве случаев моди­фикации представляют собой полезные для орга­низмов приспособления, т.к. являются основой ме­ханизмов адаптации, но в ряде случаев они не имеют приспособительного значения, представляя собой аномалии и уродства. Такие модификации называются морфозами.

Морфозы - это изменения фенотипа вследст­вие реакции организма на факторы внешней сре­ды, которым особи в нормальных условиях жизни подвергаются редко или вообще не подвергаются: обычно организм к таким воздействиям не адап­тируется. Типичные морфозы связаны с воздействи­ем различных химических веществ (хемоморфозы) или радиацией (радиоморфозы). Модификации, в отличие от морфозов, являются адаптивными ре­акциями на внешние воздействия. Модификации не нарушают нормальной жизнедеятельности ор­ганизма и отношений организма со средой.

11.4. Экспрессивность, пенетрантность

Термины «пенетрантность» и «экспрессив­ность» были предложены Тимофеевым-Ресовским в 1927 г.

Пенетрантность характеризуется частотой или

вероятностью проявления аллеля определенного гена и определяется процентом особей популяции, у которых он фенотипически проявился. Различа­ют полную (проявление признака у всех особей) и неполную (у части) пенетрантность. Количествен­но пенетрантность выражается долей особей в про­центах, у которых данный аллель проявляется. Так, например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, это указывает на то, что лишь у 1/4 генотипов, несущих определен­ный ген, проявляется его фенотипический эффект.

В основе неполной пенетрантности лежит вза­имодействие генетических и средовых причин. Зна­ние пенетрантности определенных аллелей необ­ходимо в медико-генетическом консультировании для определения возможного генотипа «здоровых» людей, в роду которых встречались наследствен­ные болезни. К случаям неполной пенетрантнос­ти можно отнести проявления генов, контролиру­ющих ограниченные полом и зависимые от пола признаки (см. раздел 10.4).

Экспрессивность (англ. expressivity) - степень фенотипического проявления гена, как мера силы его действия, определяемая по степени развития признака. Экспрессивность у обоих полов может быть одинаковой или различной, постоянной или варьирующей, если выраженность признака при одинаковом генотипе колеблется от особи к особи. При отсутствии изменчивости признака, контроли­руемого данным аллелем, говорят о постоянной экспрессивности (однозначная норма реакции). Например, аллели групп крови АВО у человека практически имеют постоянную экспрессивность. Другой вид экспрессивности - изменчивая или ва­риабельная. В основе лежат различные причины:

влияние условий внешней среды (модификации), генотипической среды (при взаимодействии генов).

Степень экспрессивности оценивается количес­твенно с помощью статистических показателей. В случаях крайних вариантов изменения экспрессив­ности (полное отсутствие признака) используют до­полнительную характеристику - пенетрантность. Хорея Гентингтона может служить примером не­полной пенетрантности и варьирующей экспрес­сивности проявления доминантного гена. Возраст первого появления хореи Гентингтона разнообра­зен (табл. 11.1). Известно, что у некоторых носите­лей она так и не проявится (неполная пенетрантность), кроме того, этот ген имеет варьирующую экспрессивность, так как носители заболевают в различном возрасте.

1. Фенотип как результат реализации генотипа в определенной среде.
2. Количественная и качественная специфика проявления генов в признаках.
3. Взаимодействие неаллельных генов.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида. При оплодотворении геномы родителей объединяются и образуют клеточный генотип зиготы.

Генотип – совокупность всех генов организма (генетическая конституция). Из генотипа зиготы в процессе онтогенеза возникает много сотен различных клеточных фенотипов. Отдельные клеточные фенотипы формируют фенотип всего организма. Весь процесс жизни от образования зиготы до естественной смерти контролируется генами. Генотип постоянно испытывает воздействие внешней среды, он взаимодействует со средой, что приводит к формированию всех признаков и свойств организма.

Фенотип – все признаки организма, формирующиеся в результате взаимодействия генотипа и среды. (Иогансен – 1803год) свойства любого организма зависят от генотипа и от среды, поэтому формирование организма – результат взаимодействия генетических факторов и факторов внешней среды.

Долгое время считалось, что в зиготе находятся разные хромосомы для разных клеток, однако теперь известно, что в зиготе имеется та же генетическая информация, что и во всех клетках данного организма. В специализированных клетках работают гены, характерные для функций данных клеток, а все остальные – до 95% - заблокированы. Каждая эмбриональная клетка потенциально может стать любой клеткой организма, т.е. специализироваться в любую сторону – полипотентные клетки. Каждая клетка организма способна дифференцироваться только по одному пути. Направление специализации определяется внешней средой (химическим окружением хромосом – цитоплазмой). На самых ранних этапах эмбриогенеза, генотип уже взаимодействует со средой. Взаимодействие удобно просматривать на примере глобиновых генов. До и после рождения эти гены работают неодинаково. В раннем эмбриогенезе включается ген, отвечающий за альфа-цепь гемоглобина (он активен на протяжении всей жизни), а ген, отвечающий за синтез бета-цепи, неактивен. Зато есть ген, отвечающий за синтез гамма-цепи. После рождения ген бета-цепи начинает работать, а гамма - блокируется. Эти изменения связаны с особенностями дыхания. Фетальный гемоглобин легко доносит воздух до зародыша.

Фенотипическое проявление генотипа в зависимости Ио среды изменяется в пределах нормы реакции. От родителей потомки получают специфические типы химических реакций на разные условия среды. Совокупность всех химических реакций определят метаболизм – обмен веществ. Интенсивность обмена веществ варьирует в широких пределах. У каждого человека свои особенности обмена веществ, которые передается от поколения к поколению, и подчиняются законам Менделя. Различия в обмене веществ реализуются в конкретных условиях среды на уровне синтеза белка.

Дифференцированная реакция растений примулы в разных условиях окружающей среды. При обычной температуре 20-25 градусов и нормальном давлении – красные цветы, при повышенной температуре или давлении – белые цветы. Семена обладают теми же свойствами.

Муха – дрозофила имеет ген, формирующий замыкание крыльев на спину. Если мух с мутантным генов выводить при температуре22-25 градусов, крылья загнуты. При более низкой температуре – нормальные крылья и лишь у некоторых – загнуты. Ген обуславливает синтез термочувствительного белка. Поэтому, обсыхая после выхода из куколки, при повышенной температуре происходит деформация крыльев.

Никакие признаки не наследуются . Признаки развиваются на основе взаимодействия генотипа и среды. Наследуется только генотип, т.е. комплекс генов, который определяет норму биологической реакции организма, изменяющую проявление и выраженность признаков в разных условиях среды. Таким образом, организм реагирует на свойства внешней среды. Иногда один и тот же ген в зависимости от генотипа и от условий внешней среды по-разному проявляет признак или меняет полноту выраженности.

Степень проявления фенотипа – экспрессивност ь. Образно ее можно сравнить со степенью тяжести болезни в клинической практике. Экспрессивность подчиняется законам распределения Гаусса (некоторые в малом или среднем количестве). В основе изменчивости экспрессивности лежат и генетические факторы, и факторы внешней среды. Экспрессивность – очень важный показатель фенотипического проявления гена. Количественно ее степень определяют, используя статистический показатель.

Генетический признак может даже не проявляться в некоторых случаях. Если ген есть в генотипе, но он вовсе не проявляется – он пенетрирован. (русский ученый Тимофеев-Рисовский 1927 год). Пенетрантность – количество особей (%), проявляющих в фенотипе данный ген, по отношению к количеству особей, у которых этот признак мог бы проявиться. Пенетрантность свойственна проявлению многих генов. Важен принцип – «все или ничего» - либо проявляется, любо нет.

Наследственный панкреатит – 80%

Вывих бедра – 25%

Пороки развития глаз

Ретинобластома – 80%

Отосклероз – 40%

Колотокома – 10%

Хорея Гентингтона проявляется в непроизвольном подергивании головы. Конечностей, постепенно прогрессирует и приводит к смерти. Может проявиться в раннем постэмбриональном периоде, в зрелом возрасте или не проявиться вообще. И экспрессивность, и пенетрантность поддерживаются естественным отбором, т.е. гены, контролирующие патологические признаки могут иметь разную экспрессивность и пенетрантность: заболевают не все носители гена, а у заболевших степень проявления будет различна. Проявление или неполное проявление признака, а так же его отсутствие зависит от среды и от модифицирующего действия других генов.

1919 год Бриджес ввел термин ген-модификатор . Теоретически любой ген может взаимодействовать с другими генами, а значит, и проявлять модифицирующее действие, но некоторые гены – модификаторы в большей степени. Они часто не имеют собственного признака, но способны усиливать или ослаблять проявление признака, контролируемого другим геном. В формировании признака кроме основных генов проявляют свое действие и модифицирующие гены.

Брахидактилия – может быть резкая или незначительная. Помимо основного гена, есть еще модификатор, который усиливает эффект.

Окраска млекопитающих – белая, черная + модификаторы.

Ген может действовать плейотропно (множественно), т.е. опосредовано влиять на течение разных реакций и развитие многих признаков. Гены могут оказывать влияние на другие признаки на разных стадиях онтогенеза. Если ген включается в позднем онтогенезе, то оказывается незначительное действие. Если на ранних стадиях – изменения более значительны.

Фенилкетанурия. У больных есть мутация, которая выключает фермент – фенилаланин – гидролазу. Поэтому фенилаланин не превращается в тирозин. В результате в крови количество фенилаланина повышается. Если выявить эту патологию рано (до 1 месяца) и перевести ребенка на другое питание, развитие идет нормально, если позднее – понижен размер головного мозга, умственная отсталость, не развиваются нормально, отсутствует пигментация, умственные способности минимальны.

Плейотропность отражает интеграцию генов и признаков.

У человека есть патологический ген, приводящий к синдрому Фанкони (порок развития или отсутствие большого пальца, порок или отсутствие лучевой кости, недоразвитие почки, коричневые пигментные пятна, нехватка кровяных телец).

Есть ген, связанный с Х-хромосомой. Невосприимчивость к инфекциям и нехватка кровяных телец.

Доминантный ген, сцепленный с Х-хромосомой – пилонефрит, лабиринтная тугоухость.

Синдром Марфани – паучьи пальцы, вывих хрусталика глаза, пороки развития сердца.

Полимерия . Если гены располагаются, каждый в своем отдельном локусе, но их взаимодействие проявляется в одном и том же направлении – это полигены. Один ген проявляет признак незначительно. Полигены дополняют друг друга и оказывают мощное действие – возникает полигенная система – т.е. система является результатом действия одинаково направленных генов. Гены подвергаются значительному влиянию главных генов, которых более 50. полигенных систем известно множество.

При сахарном диабете наблюдается умственная отсталость.

Рост, уровень интеллекта - определяются полигенными системами

Комплементарность – явление, при котором 2 неаллельных гена. Находясь в генотипе, одновременно приводят к формированию нового признака. Если присутствует один из пары – проявляется он.

Примером служат группы крови у человека.

Комплементарность может быть доминантная и рецессивная.

Для того чтобы человек имел нормальный слух, необходимо чтобы работали, согласовано многие гены, и доминантные и рецессивные. Если, хотя бы по одному гену он будет гомозиготен по рецессиву – слух будет ослаблен.

Эпистаз – такое взаимодействие генов, когда ген одной аллельной пары маскируется действием другой аллельной пары. Это обусловлено тем, что ферменты катализируют разные процессы клетки, Когда на одном метаболическом пути действуют несколько генов. Действие их должно быть согласовано во времени.

Механизм: если В выключится, он замаскирует действие С

В – эпистатический ген

С – гипостатический ген

Макьюсик :

« Соотношение между генотипом и фенотипом такое, как между характером человека и его репутацией: генотип (и характер) – внутренняя суть индивидуума, фенотип (и репутация) – это то, каким он выглядит или представляется окружающим».

ЛЕКЦИЯ №9

Изменчивость.

1. Модификационная изменчивость.

2. Комбинативная изменчивость.

3. Система браков.

4. Мутационная изменчивость.

Одним из признаков жизни является изменчивость. Любой живой организм отличается от других представителей вида. Изменчивость – свойство живых организмов существовать в разных формах. Групповая и индивидуальная изменчивость – классификация по эволюционному значению. Изменчивость, реализованная группой организмов, называется групповой, у одного организма или группы его клеток – индивидуальная.

По характеру изменения признаков и механизму:

Фенотипическая

Случайная

Модификационная

Генотипическая

Соматическая

Генеративная (мутационная, комбинативная)

а) генная

б) хромосомная

в) геномная

Модификационная изменчивость отражает изменение фенотипа под воздействием факторов внешней среды (усиление и развитие мышечной и костной массы у спортсменов, увеличение эритропоэза в условиях высокогорья и крайнего севера). Частный случай фенотипической изменчивости – фенокопии . Фенокопии – вызванные условиями внешней среды фенотипические модификации, имитирующие генетические признаки. Под влиянием внешних условий на генетически нормальный организм копируются признаки совсем другого генотипа. Проявление дальтонизма может произойти под влиянием питания, плохой психической конституции, повышенной раздражительности. У человека возникает заболевание витилиго (1% людей) – нарушение пигментации кожи. Генетический дефект есть у 30% болеющих, у остальных – профессиональное витилиго (воздействие на организм особых химических и отравляющих веществ). В Германии 15 лет назад рождались дети с фекомелией – укороченными ластовидными руками. Выяснилось. Что рождение таких детей происходило, если мать принимала Телидомид (успокоительное средство, показанное беременным). В результате нормальный немутантный генотип получал мутацию.

Фенокопии появляются в большинстве случаев при действии внешней среды на ранних стадиях эмбриогенеза, что приводит к врожденным заболеваниями порокам развития. Наличие фенокопий затрудняет диагностику заболеваний.

Соматическая изменчивость не передается по наследству.

Комбинативная изменчивость – результат независимого расхождения хромосом в процессе мейоза, оплодотворения, кроссинговера с рекомбинацией генов. При комбинативной изменчивости происходит перекомбинация генов, возникает новый индивидуальный набор хромосом, а значит, новый генотип и фенотип. Для комбинативной изменчивости в системе людей большое значение имеет система браков. Самая простая – случайный подбор пар (панмиксия). Строго панмиксных популяций не существует, т.к. существуют ограничения: социальные, религиозные, индивидуальные, экономические и другие. Поэтому в популяциях людей имеют место отклонения от панмиксии в двух направлениях:

1) Люди, состоящие между собой в родстве, вступают в брак чаще, чем при случайном подборе – инбридинг – инбирентные (кровнородственные браки).

2) Люди вступают в брак чаще при случайном подборе пар, чем при родственном бракосочетании – аутобридинг.

Инбридные браки имеют большое значение в медицинском плане. Т.к. вероятность того, что оба супруга обладают одинаковыми рецессивными генами гораздо выше, если супруги состоят между собой в родстве, особенно близком. Родство закономерно. С медицинской точки зрения близкими по генетическому эффекту считаются избирательные браки по фенотипическому признаку. Если выбор брачного партнера оказывает влияние на генотип потомка – ассортивные браки. Люди, схожие фенотипические, чаще вступают в брак, чем при случайной подборке пар – положительные ассортивные браки, если реже – отрицательные. Примерами могут служить браки между глухонемыми, людьми высокого роста, людей с одинаковым цветом кожи. Отрицательные ассортивные браки между рыжеволосыми людьми.

Близкородственные браки часто встречались на ранних этапах развития человечества.

Выделяют 3 группы инбридинга:

1. между родственниками первого родства

2. близкородственные браки изолированных популяций

3. поощряемые близкородственные браки по социальным, религиозным и другим соображениям.

Инцестные (запретные) браки между родственниками первого родства: мать-сын, отец-дочь, брат-сестра. Имели место в Египте, династии Птолемеев. В ряде восточных стран, род Ивана Грозного (начиная с Ивана Калиты – несколько подобных браков).

Правовые ограничения: браки между двоюродными родственниками, племянниками и тетями, племянницами и дядями - разрешены. Хотя в некоторых странах есть ограничения. США и Великобритании – дядя-племянница, полудядя-племянница – запрещены. В США двоюродные – запрещены, в Великобритании – разрешены.

Близкородственные браки в изолированных территориях (изолятах), в т.ч. и религиозных изолятах, неизбежны, потому что в противном случае популяция вымирает.

В больших неизолированных популяциях близкородственные браки составляют 1% в городе и 3% в селах, до троюродных. Близкородственные браки поощряются среди евреев, в восточных странах. Там до 12%.

В Самаркандской области

Дядя-племянница 46

Племянник-тетя 14

Двоюродные 42

Инцестные 2

Коэффициент инбридинга – средняя идентичная по происхождению.

США, католики – 0,00009

Израиль и Иордания – 0,432

Индия – 0,32

Япония – 0,0046

В Индии половина браков заключается между родственниками – детская смертность при любом достатке составляет 50%.

Генетический эффект близкородственных браков: редкие аутосомно-рецесивные заболевания становятся обычными.

Частота встречаемости рецессивных генов по сравнению с браками, заключенными между людьми, не являющимися родственниками, резко возрастает в браках между родственниками.

Мутационная изменчивость - единственный вид изменчивости, в результате которого могут появиться новые гены, которые могли раньше не встречаться. Происходит изменение генотипа и как следствие, изменяется фенотип. В соответствии с тремя уровнями организации генного материала выделяют 3 вида мутаций: генные, хромосомные и геномные.

Мутация – внезапное наследственное изменение какого-либо фенотипического признака, вызванное резким структурным или функциональным изменением.

Генные мутации связаны с изменением внутренней структуры генов, что превращает одни аллели в другие. Можно выделить несколько типов генных мутаций на молекулярном уровне:

Замена пар нуклеотидов

Делеция

Вставка нуклеотида

Перестановка (инверсия) участка гена.

Замена пар нуклеотидов . Замена пуринового основания на другое пуриновое, или одного пиримидинового на другое пиримидиновое – транзиция. Замена пуринового основания на пиримидиновое и наоборот – трансверсия. При замене нуклеотидов в структурных генах происходит изменение смысла гена – возникают миссенс-мутации . При этом одна аминокислота в полипептиде замещается другой. Фенотипическое проявление мутации зависит от положения аминокислоты в полипептиде. При замене последовательности ЦТЦ на ЦАЦ возникает серповидно-клеточная анемия. Образуется новый полипептид и гемоглобин имеет совсем другие свойства. Некоторые миссенс-мутации приводят к возникновению фермента, обладающего высокой активностью в одних условиях и средней в других условиях. Т.к. генетический код вырожден, то при замене триплетов, кодирующий одну и ту же аминокислоту, мутации не проявляются. Другой вид мутаций – нонсенс - мутации . При этих мутациях при замене одного нуклеотида другим образуются бессмысленные триплеты. Синтез полипептида прекращается и белок имеет совсем иные свойства.

Понятия, ген, генотип и фенотип. Фенотипическая и генотипическая изменчивость, мутации.

При изучении закономерностей наследования обычно скрещивают особи, отличающиеся друг от друга альтернативными признаками, например желтый и зеленый цвет, гладкая и морщинистая поверхность у горошин.

Ген - Материальный носитель наследственности, единица наследственного материала, определяющая формирование элементарного признака в живом организме.

Аллельные гены – гены, определяющие развитие альтернативных признаков. Они располагаются в одинаковых локусах гомологичных хромосом.

Локус – место локализации гена в хромосоме.

Альтернативный признак и соответствующий ему ген, проявляющийся у гибридов первого поколения, называется доминантным, а не проявляющийся – рецессивным.

Доминантность – это способность подавлять одним аллелем действие другого в гетерозиготном состоянии.

Аллель – форма существования (проявления) гена.

Если в обеих гомологичных хромосомах находятся одинаковые аллельные гены, такой организм называется гомозиготным, так как он образует один тип гамет и не дает расщепление при скрещивании с себе подобным.

Если в гомологичных хромосомах локализованы разные гены одной аллельной пары, то такой организм называется гетерозиготным по данному признаку.

Генотип - совокупность всех генов организма. Генотип представляет собой взаимодействующие друг с другом и влияющие друг на друга совокупности генов. Каждый ген испытывает на себе воздействие других генов генотипа и сам оказывает на них влияние, поэтому один и тот же ген в разных генотипах может проявляться по-разному.

Несмотря на то, что уже многое известно о хромосомах и структуре ДНК, дать определение гена очень трудно, пока удалось сформулировать только три возможных определения гена:

а) ген как единица рекомбинации.

На основании своих работ по построению хромосомных карт дрозофилы Морган постулировал, что ген - это наименьший участок хромосомы, который может быть отделен от примыкающих к нему участков в результате кроссинговера. Согласно этому определению, ген представляет собой крупную единицу, специфическую область хромосомы, определяющую тот или иной признак организма;

б) ген как единица мутирования.

В результате изучения природы мутаций было установлено, что изменения признаков возникают вследствие случайных спонтанных изменений в структуре хромосомы, в последовательности оснований или даже в одном основании. В этом смысле можно было сказать, что ген - это одна пара комплиментарных оснований в нуклеотидной последовательности ДНК, т.е. наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию.

в) ген как единица функции.

Поскольку было известно, что от генов зависят структурные, физиологические и биохимические признаки организмов, было предложено определять ген как наименьший участок хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта.

Фенотип – совокупность всех свойств и признаков организма. Фенотип развивается на базе определенного генотипа в результате взаимодействия организма с условиями окружающей среды. Организмы, имеющие одинаковый генотип, могут отличаться друг от друга в зависимости от условий развития и существования.

Под признаком понимают единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организма, т.е. любое отдельное качество или свойство, по которому одну особь можно отличить от другой.

Геном – совокупность численности и формы хромосом и содержащихся в них генов для данного вида.

Фенотипическая изменчивость – в процессе индивидуального развития наблюдаются закономерные изменения морфологических, физиологических, биохимических и других особенностей организма. Время и порядок появления этих изменений в онтогенезе строго определяются генотипом. Такую изменчивость называют возрастной или онтогенетической. Примеры онтогенетической изменчивости можно привести из личного опыта, вспомнив, как закономерно и постепенно происходит физическое и умственное развитие человека. Онтогенетическая изменчивость отличается от генотипической тем, что организмы, несмотря на их возрастные различия, сохраняют одинаковый генотип. Такую изменчивость относят к фенотипической, или ненаследственной, изменчивости.

Разнообразие в проявлении одинаковых генотипов в различных условиях среды называют модификационной изменчивостью.

Для модификаций характерны следующие признаки:

1. ненаследственный характер модификаций, они не передаются по наследству.

2. степень выраженности модификации прямо пропорциональна силе и продолжительности воздействия на организм фактора, вызывающего модификацию.

3. в большинстве случаев модификация представляет собой приспособительную реакцию организма на какой-либо фактор и т.д.

Границы модификационной изменчивости, которые определяются генотипом, называются нормой реакции. Нормой реакции называют генотипически обусловленную способность организма варьировать степень выраженности признака в определенных пределах в зависимости от условий внешней среды.

Генотипическая (наследственная) изменчивость – изменчивость, обусловленная возникновением мутаций и их комбинаций при скрещивании.

Изменение свойств и признаков организма может быть обусловлено изменением гена или других элементов генетического аппарата клетки. Такие изменения называют мутациями. Мутации возникают скачкообразно в отдельных половых клетках и сохраняются в поколениях. Примером может служить появление в потомстве гомозиготных белых кроликов черного, у остистой пшеницы безостых форм, у зеленой водоросли хлореллы салатных и т. д.

Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями генов, но и различной их комбинацией. Комбинация генов при наличии взаимодействия между ними может привести к появлению новых признаков или к новому их сочетанию. Такую изменчивость называют комбинативной, и возникает она в результате скрещивания.

Мутационная и комбинативная изменчивость обусловлены разнообразием генотипов, поэтому они относятся к генотипической, или наследственной, изменчивости.

Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации - мутагенами. Мутагены первоначально воздействуют на генетический материал особи, вследствие чего может измениться фенотип.

Мутагенные факторы подразделяют на: физические; химические; биологические.

К физическим мутагенным факторам относятся различные виды излучений, температура, влажность и др.

Основные механизмы их действия: 1) нарушение структуры генов и хромосом; 2) образование свободных радикалов, которые вступают в химическое взаимодействие с ДНК; 3) разрывы нитей ахроматинового веретена деления; 4) образование димеров.

К химическим мутагенам относятся: а) природные органические и неорганические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, ферменты и др.); б) продукты промышленной переработки природных соединений угля, нефти; в) синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды, пищевые консерванты, лекарственные вещества); г) некоторые метаболиты организма человека.

Химические мутагены обладают большой проникающей способностью, вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК.

Механизмы их действия: 1) дезаминирование; 2) алкилирование; 3) замены азотистых оснований их аналогами; 4) ингибиция синтеза предшественников нуклеиновых кислот.

Генные мутации. Генные, или точечные, мутации - наиболее часто встречающийся класс мутационных изменений. Генные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Хромосомные мутации - это перестройки хромосом.

Участок хромосомы может удвоиться или, наоборот, выпасть, он может переместиться на другое место и т.д.

Геномные мутации. Геномными называют мутации, приводящие к изменению числа хромосом. Наиболее распространенным типом геномных мутаций является полиплоидия - кратное изменение числа хромосом.

Основные положения мутационной теории. Основные положения мутационной теории формулируются следующим образом:

Мутации - это дискретные изменения наследственного материала;

мутации - редкие события;

Мутации могут устойчиво передаваться из поколения в поколение;

Мутации возникают не направленно (спонтанно) и, в отличие от модификаций, не образуют непрерывных рядов изменчивости;

Мутации могут быть вредными, полезными и нейтральными.

2. Основные этапы развития генетики. Роль отечественных ученых в развитии генетики и селекции (Н.И. Вавилов, А.С. Серебровский Н.К. Кольцов, Ю.А. Филипченко, С.С. Четвериков и др.). Значение генетики для решения задач селекции, медицины, биотехнологии,экологии.

Генетика — наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов, а также механизмы эволюции живого.

Основные закономерности передачи наследственных признаков были установлены на растительных и животных организмах, они оказались приложимы и к человеку. В своем развитии генетика прошла ряд этапов.

Первый этап ознаменовался открытием Г. Менделем (1865) дискретности (делимости) наследственных факторов и разработкой гибридологического метода, изучения наследственности, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.

Дискретность наследственности состоит в том, что отдельные свойства и при знаки организма развиваются под контролем наследственных факторов (генов), которые при слиянии гамет и образовании зиготы не смешиваются, не растворяются, а при формировании новых гамет наследуются независимо друг от друга.

Значение открытий Г. Менделя оценили после того, как его законы были вновь переоткрыты в 1900 г. тремя биологами независимо друг от друга: де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. Результаты гибридизации, полученные в первое-I десятилетие XX в. на различных растениях и животных, полностью подтвердили менделевские законы наследования признаков и показали их универсальный характер по отношению ко всем организмам, размножающимся половым путем. Закономерности наследования признаков в этот период изучались на уровне целостного организма (горох, кукуруза, мак, фасоль, кролик, мышь и др.).

Менделевские законы наследственности заложили основу теории гена — величайшего открытия естествознания XX в., а генетика превратилась в быстро развивающуюся отрасль биологии.

В 1901 —1903 гг. де Фриз выдвинул мутационную теорию изменчивости, которая сыграла большую роль в дальнейшем развитии генетики.

Важное значение имели работы датского ботаника В. Иоганнсена, который изучал закономерности наследования на чистых линиях фасоли.

Он сформулировал также понятие “популяциям (группа организмов одного вида, обитающих и размножающихся на ограниченной территории), предложил называть менделевские “наследственные факторы” словом ген, дал определения понятий “генотип” и “фенотип”.

Второй этап характеризуется переходом к изучению явлений наследственности на клеточном уровне (питоге-нетика). Т. Бовери (1902—1907), У. Сэттон и Э. Вильсон (1902—1907) установили взаимосвязь между менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления (митоз) и созревания половых клеток (мейоз).

Развитие учения о клетке привело к уточнению строения, формы и количества хромосом и помогло установить, что гены, контролирующие те или иные признаки, не что иное, как участки хромосом. Это послужило важной предпосылкой утверждения хромосомной теории наследственности.

Решающее значение в ее обосновании имели исследования, проведенные на мушках дрозофилах американским генетиком Т. Г. Морганом и его сотрудниками (1910—1911).

Ими установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Число групп сцепления генов соответствует числу пар гомологичных хромосом, и гены одной группы сцепления могут перекомбинироваться в процессе мейоза благодаря явлению кроссинго-вера, что лежит в основе одной из форм наследственной комбинативной изменчивости организмов. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом.

Третий этап в развитии генетики отражает достижения молекулярной биологии и связан с использованием методов и принципов точных наук — физики, химии, математики, биофизики и др.—в изучении явлений жизни на уровне молекул. Объектами генетических исследований стали грибы, бактерии, вирусы.

На этом этапе были изучены взаимоотношения между генами и ферментами и сформулирована теория “один ген — один фермент” (Дж. Бидл и Э. Татум, 1940): каждый ген контролирует синтез одного фермента; фермент в свою очередь контролирует одну реакцию из целого ряда биохимических превращений, лежащих в основе проявления внешнего или внутреннего признака организма.

Эта теория сыграла важную роль в выяснении физической природы гена как элемента наследственной информации.

В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. Предложенная ими модель ДНК хорошо согласуется с биологической функцией этого соединения: способностью к самоудвоению генетического материала и устойчивому сохранению его в поколениях — от клетки к клетке.

Эти свойства молекул ДНК объяснили и молекулярный механизм изменчивости: любые отклонения от исходной структуры гена, ошибки самоудвоения генетического материала ДНК, однажды возникнув, в дальнейшем точно и устойчиво воспроизводятся в дочерних нитях ДНК.

В последующее десятилетие эти положения были экспериментально подтверждены: уточнилось понятие гена, был расшифрован генетический код и механизм его действия в процессе синтеза белка в клетке. Кроме того, были найдены методы искусственного получения мутаций и с их помощью созданы ценные сорта растений и штаммы микроорганизмов — продуцентов антибиотиков, аминокислот.

В последнее десятилетие возникло новое направление в молекулярной генетике —генная инженерия — система приемов, позволяющих биологу конструировать искусственные генетические системы.

Генная инженерия основывается на универсальности генетического кода: триплеты нуклеотидов ДНК программируют включение аминокислот в белковые молекулы всех организмов — человека, животных, растений, бактерий, вирусов.

Благодаря этому можно синтезировать новый ген или выделить его из одной бактерии и ввести его в генетический аппарат другой бактерии, лишенной такого гена.

Таким образом, третий, современный этап развития генетики открыл огромные перспективы направленного вмешательства в явления наследственности и селекции растительных и животных организмов, выявил важную роль генетики в медицине, в частности, в изучении закономерностей наследственных болезней и физических аномалий человека.

Советские ученые:

Вавилов Николай Иванович (1887–1943) – выдающийся отечественный биолог; автор современной теории селекции; разработал учение о центрах происхождения культурных растений; сформулировал закон гомологических рядов (закон, согласно которому целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство.); разработал учение о виде как системе.

Дубинин Николай Петрович (р. 1907) – один из основателей отечественной генетики; доказал делимость гена; независимо от западных исследователей установил, что важную роль в эволюции играют вероятностные, генетико-автоматические процессы.

Карпеченко Георгий Дмитриевич (1899–1942) – отечественный цитогенетик, создатель редечно-капустного гибрида.

Кольцов Николай Константинович (1872–1940) – отечественный био¬лог; предсказал свойства носителей генетической информации; разрабатывал теорию гена; разрабатывал учение о социальной генетике (евгенике).

Лобашев Михаил Ефимович (1907–1971) – отечественный генетик. В 1956 г. проф. М.Е.Лобашев начинает читать курс классической генетики на возглавляемой им кафедре генетики в Ленинградском университете.

Надсон Георгий Адамович (1867–1940) – отечественный микробио¬лог; один из первооткрывателей индуцированного мутагенеза (Мутации, возникшие в результате действия химических или физических факторов).

Ромашов Дмитрий Дмитриевич (1899–1963) – отечественный генетик, Московская школа генетики

Серебровский Александр Сергеевич (1892–1948) – выдающийся отечественный генетик, ученик Н.К. Кольцова, учитель Н.П. Дубинина. Разработал линейную теорию гена, создал учение о генофонде и геногеографии, показал существование в малых изолированных популяциях стохастических процессов, играющих ключевую роль в селективно-нейтральной эволюции.

Филипченко Юрий Александрович (1882–1930) – выдающийся отечественный генетик. В 1919 г. создал кафедру генетики в Петроградском университете.

Четвериков Сергей Сергеевич (1880–1959) – выдающийся отечественный генетик, энтомолог; в работе «Волны жизни» (1905) проанализировал причины изменения численности популяций; в работе «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики» (1926) доказал генетическую неоднородность природных популяций; один из создателей популяционной генетики, читал курс биометрии, с 1925 г. читал курс генетики в Московском университете.

Основой современной теории отбора и подбора служат закономерности, вскрытые общей и популяционной Г., методы оценки генетических параметров популяций. Установив, что отбор эффективен лишь в том случае, когда он опирается на наследственное разнообразие особей в популяции, и что фенотип далеко не всегда соответствует генотипу, Г. обосновала необходимость оценки наследственных качеств и разнообразия селекционируемых организмов и вооружила селекцию соответствующими методами и практическими приёмами. Так, оценка наследственности качеств производителей по хозяйственно важным признакам их потомков, издавна практикуемая лучшими животноводами, получила на основе Г. научное обоснование как необходимый приём селекционно-племенной работы, особенно ценный в связи с распространением метода искусственного осеменения. В основе методов индивидуального отбора у растений также лежат генетические представления о чистых линиях, о гомо- и гетерозиготности и о нетождественности фенотипа и генотипа. Генетические закономерности независимого наследования и свободного комбинирования признаков в потомстве послужили теоретической основой гибридизации и скрещивания, которые наряду с отбором входят в число основных методов селекции. На основе гибридизации и отбора советскими селекционерами П. П. Лукьяненко, В. С. Пустовойтом, В. Н. Мамонтовой, В. Я. Юрьевым, В. П. Кузьминым, А. Л. Мазлумовым, М. И. Хаджиновым, П. И. Лисицыным и др. созданы замечательные сорта зерновых, технических и др. культур. Важнейшее значение для повышения эффективности селекции растений имеют закон гомологических рядов Н. И. Вавилова, его учение о генцентрах происхождения культурных растений, а также его теории отдалённых эколого-географических скрещиваний и иммунитета.

Совершенствованию методов селекции отдельных видов животных и растений способствуют работы по частной Г. этих форм. Так, разведение цветных норок или каракульских овец невозможно без знания закономерностей наследования окрасок у этих животных. На основе генетических закономерностей независимого наследования и взаимодействия генов осуществлен генетический синтез норок с сапфировой, жемчужной и др. окрасками меха, не встречающимися в природе. Для создания новых сортов растений широкое применение получила отдалённая гибридизация, на основе которой получены многие ценные сорта плодовых растений (И. В. Мичурин), пшенично-пырейные гибриды (Н. В. Цицин, Г. Д. Лапченко и др.), некоторые гибридные сорта озимых пшениц и др. Отдалённой гибридизацией успешно пользуются также в селекции картофеля, свёклы, ряда древесных культур, табака и др. Явление цитоплазматической мужской стерильности используют в селекции кукурузы, пшеницы, сорго и др. культур. Всё большее практическое значение приобретают методы экспериментальной полиплоидии для создания хозяйственно ценных форм с.-х. растений. Этими методами созданы высокопродуктивные триплоидные гибриды сахарной свёклы, гречихи, триплоидный бессеменной арбуз, полиплоидная рожь, клевер, мята и др.

Всё шире практикуется, особенно применительно к микроорганизмам, вызывание мутаций ионизирующей радиацией и химическими мутагенами. Уже созданы мутантные штаммы продуцентов ряда антибиотиков, аминокислот, ферментов и др. биологически активных веществ, во много раз превосходящие по продуктивности исходные штаммы (см. Генетика микроорганизмов). Искусственный мутагенез, примененный в селекции растений в СССР ещё в конце 20-х гг. (Л. Н. Делоне, А. А. Сапегин и др.), ныне широко используется в селекционной работе в разных странах. На основе искусственно полученных мутантных форм созданы высокоурожайные сорта ячменя, пшеницы, риса, овса, гороха, сои, фасоли, лупина и др., уже внедрённые в производство. Значительно повышая наследственная изменчивость растений, методы экспериментальной полиплоидии и искусственного мутагенеза ускоряют селекционную работу и делают её более эффективной. Это, однако, не умаляет роли отбора и гибридизации. Значение старых методов выведения сортов и пород в сочетании с новыми приёмами, основанными на успехах Г., всё больше возрастает, особенно в селекции животных, где экспериментальная полиплоидия и мутагенез пока ещё не применимы. Разработка теории и методов оценки, отбора и подбора животных и растений, так же как и системы их наилучшего выращивания, остаётся важной задачей.

На достижениях Г. основаны методы генетически регулируемого гетерозиса, обеспечившие получение гибридной кукурузы, урожайность которой на 30—40% выше исходных сортов, сорго и др. культур, а из с.-х. животных — свиней и особенно кур (лучшие гибридные куры превосходят чистопородных кур или межпородных гибридов по яйценоскости, крупности яиц, оплате корма) (см. Генетика животных и Генетика растений).

Всё большую роль играет Г. в изучении наследственности человека, в предупреждении и лечении наследственных болезней (см. Генетика человека, Генетика медицинская).

Г. внесла большой вклад в познание диалектико-материалистической картины мира, показав, что коренное свойство жизни — наследственность — основывается на сложной физико-химической структуре хромосомного аппарата, сформировавшегося в ходе эволюции для хранения и передачи генетической информации. Тем самым Г. дала ещё одно доказательство взаимосвязи физико-химической и биологической форм организации материи и единства материального мира. Г. показала, что все генетические явления и процессы, в том числе явления наследственной изменчивости, детерминированы. Диалектически противоречивое единство явлений наследственности и наследственной изменчивости получило объяснение в поведении и особенностях изменения структуры хромосом и заключённых в них генов при скрещиваниях, а также в реакции генетического материала на внешние воздействия или на условия внутриклеточной среды. Г. показала также, что главным образом внутреннее противоречие между наследственностью и наследственной изменчивостью, разрешаемое в процессе мутирования, рекомбинации при гибридизации и отбора, служит движущей силой эволюции. Г. подтвердила эволюционную теорию Дарвина и способствовала её развитию. Вскрыв материальность явлений наследственности, Г., в силу самой логики развития естествознания, показала, что все генетические явления и процессы подчинены законам диалектического движения. Развивая теорию наследственности и изменчивости, советские генетики твёрдо стоят на позициях диалектического материализма, марксистско-ленинской философии.

3. Доказательства роли ядра и хромосом в явлениях наследственности. Локализация генов в хромосомах.

Первым фактом, раскрывающим роль хромосом в наследственности, было доказательство роли хромосом в определении пола у животных и открытие механизма расщепления по полу 1:1. Морган проводил свои опыты на плодовых мушках дрозофилах. Рассмотрим конкретный пример из его исследований. Если скрестить мушку дрозофилу, имеющую серое тело и нормальные крылья, с мушкой, обладающей темной окраской тела и зачаточными крыльями, то в первом поколении гибридов все мухи будут серыми с нормальными крыльями. Это гетерозиготы по двум парам аллельных генов, причем ген, определяющий серую окраску брюшка, доминирует над темной окраской, а ген, обусловливающий развитие нормальных крыльев, - над геном недоразвития крыльев.

При анализирующем скрещивании гибрида F1 с гомозиготной рецессивной дрозофилой (темное тело, зачаточные крылья) подавляющее большинство потомков F2 будет сходно с родительскими формами.

Явление совместного наследования генов, локализованных в одной хромосоме, Морган назвал сцепленным наследованием, а локализацию генов в одной хромосоме - сцеплением генов. Сцепленное наследование генов, локализованных в одной хромосоме, получило название закона Моргана.

Все гены, входящие в одну хромосому, передаются по наследству совместно и составляют группу сцепления. Поскольку в гомологичных хромосомах находятся одинаковые гены, группу сцепления образуют две гомологичные хромосомы. Число групп сцепления соответствует числу хромосом в гаплоидном наборе. Так, у человека 46 хромосом - 23 группы сцепления, у дрозофилы 8 хромосом - 4 группы сцепления, у гороха 14 хромосом - 7 групп сцепления.

С 1911 г. Т. Морган с сотрудниками в Колумбийском университете США начинает публиковать серию работ, в которой формулирует хромосомную теорию наследственности. Основные положения хромосомной теории наследственности:

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

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

Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами.

Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.

Итак, в ядре клеток заключены хромосомы, которые содержат ДНК — хранилище наследственной информации. Этим определяется ведущая роль клеточного ядра в наследственности. Данное важнейшее положение современной биологии не просто вытекает из логических рассуждении, оно доказано рядом точных опытов. Приведем один из них. В Средиземном море обитает несколько видов одноклеточных зеленых водорослей — ацетабулярий. Они состоят из тонких стебельков, на верхних концах которых располагаются шляпки. По форме шляпок различают виды ацетабулярий. В нижнем конце стебелька ацетабулярий находится ядро.

У ацетабулярий одного вида искусственно удалили шляпку и ядро, а к стебельку подсадили ядро, извлеченное у ацетабулярий другого вида. Что же оказалось? Через некоторое время на водоросли с подсаженным ядром образовалась шляпка, характерная именно для вида, которому принадлежало пересаженное ядро.

Хотя ядру принадлежит ведущая роль в явлениях наследственности, из этого, однако, не следует, что только ядро ответственно за передачу всех свойств из поколения в поколение. В цитоплазме также существуют структуры (хлоропласты и митохондрии), содержащие ДНК и способные передавать наследственную информацию.

Таким образом, именно в ядре каждой клетки содержится основная наследственная информация, необходимая для развития целого организма со всем разнообразием его свойств и признаков. Именно ядро играет центральную роль в явлениях наследственности.

10.Строение хромосом: хроматида, хромомеры, эухроматические и гетерохроматические

районы хромосом.

Хромосомы состоят из двух хроматид, объединенных первичной перетяжкой. По положению центромеры хромосомы делятся на метацентрические (равноплечие), субметацентрические (неравноплечие), акроцентрические (центромера лежит у одного из концов хромосомы, последняя представляет собой палочку с очень коротким или даже незаметным вторым плечом), и телоцентрические палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на проксимальном конце. Хромомеры, по мнению одних исследователей, представляют собой плотно спирализованные участки, по мнению других - уплотнения нуклеопротеидного материала. Промежутки между хромомерами называются межхромомерными нитями.

Эухроматин, активный хроматин, участки хроматина (вещества хромосом), сохраняющие деспирализованное состояние элементарных дезоксирибонуклеопротеидных нитей (ДНП) в покоящемся ядре, т. е. в интерфазе (в отличие от других участков — гетерохроматина). Эухроматин отличается от гетерохроматина также способностью к интенсивному синтезу рибонуклеиновой кислоты (РНК) и большим содержанием негистоновых белков. В нём, помимо ДНП, имеются рибонуклеопротеидные частицы (РНП-гранулы), которые служат для завершения созревания РНК и переноса ее в цитоплазму. Эухроматин содержит большинство структурных генов организма.

Гетерохроматин (от гетеро… и греч. chroma — цвет), участки хромосом, остающиеся в промежутке между делениями клетки, т. е. в интерфазе, уплотненными (в отличие от др. участков — эухроматина). Гетерохроматин иногда тесно связан с ядрышком, образуя вокруг него подобие кольца или оболочки. Во время митоза Гетерохроматин окрашивается сильнее или слабее, чем эухроматин (явление положительного или отрицательного гетеропикноза). Гетерохроматин особенно характерен для половых хромосом многих видов животных. Гетеропикнотические участки удаётся получить в эксперименте, например при действии низкой температуры. Полагают, что Гетерохроматин не содержит генов, контролирующих развитие организма.

11.Изменения в организации морфологии хромосом в ходе митоза и мейоза. Репликация

хромосом. Политения. Онтогенетическая изменчивость хромосом.

Х. в период митоза и мейоза. При переходе клетки к делению синтез ДНК и РНК в Х. прекращается, Х. приобретают всё более плотную упаковку (например, в одной Х. человека цепочка ДНК длиной 160 мм укладывается в объёме всего 0,5´10 мкм), ядерная мембрана разрушается и Х. выстраиваются на экваторе клетки. В этот период они наиболее доступны для наблюдения и изучения их морфологии. Основная структурная единица метафазных Х., так же как и интерфазных, — нить ДНП диаметром 100—200 , уложенная в плотную спираль. Некоторые авторы обнаруживают, что нити диаметром 100—200 образуют структуры второго уровня укладки — нити диаметром около 2000 , которые и формируют тело метафазной Х. Каждая метафазная Х. состоит из хроматид (рис. 3, 1), образовавшихся в результате репликации исходной интерфазной Х. Использование меченых и модифицированных предшественников ДНК позволило четко различать в Х., находящейся в метафазе митоза, дифференциально окрашенные хроматиды, благодаря чему было установлено, что при репликации Х. нередко происходит обмен участками между сестринскими хроматидами (кроссинговер). В классической цитологии придавалось большое значение матриксу метафазной Х., его считали обязательным компонентом, в который погружены спирализованные хромонемы. Современные цитологи рассматривают матрикс метафазных Х. как остаточный материал разрушающегося ядрышка; часто он вовсе не обнаруживается.

Политения — редупликация хромонем в хромосомах, приводящая к увеличению числа хромонем без увеличения числа хромосом и без реорганизации ядра. Этот процесс, протекающий внутри хромосом, приводит к полиплоидизации количества

12.Молекулярная организация хромосом прокариот и эукариот. Компоненты хроматина:

ДНК, РНК, гистоны, другие белки. Уровни упаковки хроматина, нуклеосомы.

В настоящее время наиболее известны три типа хромосом:

У прокариот в нуклеоиде и в клеточных органеллах эукариот

Хромосомы из делящихся клеток эукариот

Интерфазные хромосомы эукариот

Основная особенность строения - отсутствие ядра, ограниченного оболочкой. Наследственная информация заключена в одной бактериальной кольцевидной хромосоме, состоящей из одной молекулы ДНК и погруженной в цитоплазму. ДНК не образует комплекса с белками > гены, входящие в состав хромосом, "работают", т.е. с них непрерывно считывается информация. ДНК закреплена на мембране с помощью специальных белковых нитей. Содержание ДНК намного меньше, чем в эукариотической клетке. Большинство генов уникальны, повторяются обычно только гены, кодирующие тРНК и рРНК. Ядро - важнейшая составная часть клетки. Клеточное ядро содержит ДНК, т.е. гены, и благодаря этому выполняет две главные функции: 1) хранения и воспроизведения генетической информации и 2) регуляции процессов обмена веществ, протекающих в клетке. Ядро окружено оболочкой, которая состоит из двух мембран, имеющих типичное строение. Наружная ядерная мембрана с поверхности, обращенной в цитоплазму, покрыта рибосомами, внутренняя мембрана гладкая. Хроматин содержит ДНК и белки и представляет собой спирализованные и уплотненные участки хромосом.

ХРОМАТИН, нуклеопротеид клеточного ядра, составляющий основу хромосом. В состав X. входят: ДНК (30-40% по массе), гистоны (30-50%), негистоновые белки (4-33%) и РНК. Кол-во негистоновых белков, РНК, а также размеры молекул ДНК колеблются в широких пределах в зависимости от метода выделения X. и природы объекта. Взаимод. между гистонами и ДНК гл. обр. ионное.

Структуру X. формирует элементарная фибрилла диаметром 10 нм. Для нее известны 4 уровня укладки в более сложные структуры. Важнейший этап в структурных исследованиях X.- открытие в 1973 осн. структурной единицы X.-нуклеосомы. Она состоит из универсальной "кор"-частицы, образованной ДНК (146 нуклеотидных пар), октамером из 4 гистонов (Н2А, Н2В, НЗ и Н4 - по две молекулы каждого) и линкерной ДНК переменной длины (0-80 нуклеотидных пар), связанной с гистоном H1. Последовательность расположения гистонов вдоль молекулы ДНК имеет вид -Н3 — Н2А — Н2В — (Н4, Н3)2 — Н2В — Н2А — Н3. Согласно пространств. модели А. Клуга "кор"-частица выглядит как плоский диск диаметром 11 нм, толщиной 5,7 нм, с осью симметрии 2-го порядка, на внеш. пов-сть к-рого навита двойная спираль ДНК в В-форме, образующая 1,75 витка левой суперспирали.

Для фибриллы диаметром 10 нм предложена модель "бусы на нитке" со специфич. по отношению к нуклеотидной последовательности ДНК расположением нуклеосом (т. наз. фазированием). Следующий уровень организации представлен толстой фибриллой диаметром 30 нм. Ее описывают две альтернативные модели: регулярная спираль - соленоид, на один виток к-рой приходится от 3 до 7-8 нуклеосом и менее признанная глобулярная, где каждые 6-12 нуклеосом образуют глобулу. Важную роль в наднуклеосомной организации X. играет гистон H1. Детали устройства т. наз. петельной или доменной структуры X. и собственно хромосомы в метафазе (одна из стадий деления клетки) неизвестны. Интересна гипотеза о соответствии одного домена одному или, в крайнем случае, неск. генам.

О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препарату функцию синтезирующейся

РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.

Гистоны составляют большинство основных белков хроматина и находятся примерно в том же количестве, что и ДНК.

Гистоны четырех классов прямо взаимодействуют с ДНК и образуют в хроматине серию частиц первого уровня организации. Консервативность типов гистонов на протяжении эволюции можно объяснить необходимостью сохранения этой важнейшей реакции. Пятый класс гистонов принимает участие во взаимодействиях между частицами. Постоянство классов гистонов позволяет предполагать, что взаимодействия типа ДНК—гистоны, гистон—гистоны и гистон—негистоновые белки могут быть в основном похожими у разных видов. Отсюда мы можем сделать заключение об общих механизмах образования как первичных частиц, так и последующих структур более сложного порядка, состоящих из серий частиц.

Гистоны первых четырех классов имеют значительное количество как кислых, так и основных аминокислот. Поэтому эти белки несут высокий заряд. Отношение основных аминокислот к кислым находится в диапазоне 1,4-2,5. Эти гистоны подразделяются на две группы.

К аргинин-богатым относятся два вида гистонов: Н3 и Н4. Они принадлежат к наиболее консервативным из всех известных белков.

К гистонам, умеренно обогащенным лизином, относятся два белка. Их называют Н2А и Н2В (в противоположность их номенклатурному обозначению это не родственные, а независимые белки). У различных эукариот находят те же самые два типа гистонов, но у них обнаружены заметные межвидовые вариации в аминокислотной последовательности.

Пятый класс представлен гистонами, очень богатыми лизином; он состоит из нескольких достаточно близкородственных белков с перекрывающимися последовательностями аминокислот. Это гистоны H1 (в эритроцитах птиц существует вариант, названный Н5). У этих гистонов обнаружены значительные межвидовые и межтканевые вариации (у дрожжей, по-видимому, гистонов данного класса нет). Хотя эти гистоны являются самыми основными гистонами, их легко можно выделить из хроматина, полностью растворив в солевом растворе (0,5М).

Как и следует из названия, негистоны - это все другие белки хроматина. Предполагается поэтому, что они обладают большими видовыми и тканевыми различиями, хотя строгих данных о степени их разнообразия пока нет. Эти белки составляют меньшую долю от всей массы белков хроматина, чем гистоны. Кроме того, сюда относится намного большее число белков, так что любой индивидуальный белок присутствует в значительно меньшем количестве, чем любой гистон.

В класс негистоновых белков могут попасть белки, связанные с экспрессией генов, и белки, участвующие в организации структур высшего порядка. Так, в числе наиболее выдающихся негистонов можно назвать РНК-полимеразу. HMG-белки (высокомобильная группа) составляют отдельный, хорошо различимый подкласс негистонов. Основная проблема, возникающая при работе с другими негистоновыми белками - их загрязнение другими ядерными белками.

Упаковка генетического материала достигается путем спирализации (конденсации). 3.1. Первый уровень упаковки ДНК — нуклеосомный.

Нуклеосома представляет собой глобулу (октамер), содержащую по две молекулы каждого из четырех гистонов — (вокруг которой двойная спираль ДНК образует около двух витков и переходит на следующую глобулу.. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз.. Второй уровень упаковки — соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, ее нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н1 и образуется спираль диаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз.. Третий уровень упаковки — хроматидный (петлевой). Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки. Четвертый уровень упаковки — уровень метафазной хромосомы, Хроматиды в метафазе способны спирализоваться с образованием эухроматиновых (слабо спирализованных) и гетерохроматиновых (сильно спирализованных) участков; происходит укорочение в 20 раз.. Общий итог конденсации — укорочение нити ДНП в 10000 раз.

13.Цели и принципы генетического анализа. Методы: гибридологический, мутационный,

цитогенетический, генеалогический, популяционный, близнецовый, биохимический.

14.Закономерности наследования при моногибридпом скрещивании, открытые Г.

Менделем. Представление Г. Менделя о дискретной наследственности (факториальная

гипотеза). Закон "чистоты гамет".

Мендель открыл закон-сти наслед-ния, проводя гибрид-цию различных сортов гороха. Гибридизация - это скрещивание особей с различными генотипами. Скрещивание, при котором у родительских особей учитывается одна пара альтернативных признаков, называется моногибридным.

Первый закон Менделя: при скрещивании гомозиготных особей анализируемых по одной паре альтернативных признаков, наблюдается единообразие гибридов первого поколения, как по фенотипу, так и по генотипу. Для проявления законов Менделя необходимо соблюдать ряд условий:

1) гены разных аллельных пар должны нах-ся в разных хромосомах;

2) между генами не должно быть сцепления и взаимод-вия (кроме полного домин-ния);

3) должна быть равная вероятность обр-ния гамет и зигот разного типа и равная вероятность выживания орг-змов с разными генотипами (не должно быть летальных генов);

4) должна быть 100% пенетрантность гена, отсутствовать плейотропное действие и мутации гена.

Изучая моногиб-ое скрещ-ие, Мендель разработал разные типы скрещ-ия:

1.возвратное-скрещ-е гибрида с родит. Особью.

2.прямое и обратное-хар-ся взаимопротив-м сочетанием анализ-го признака и пола.

3.анализирующее-скрещивание гибрида с рецес-ой гомозиготой Аа*аа, при этом гомозиготную рец-ую особь наз-ся анализатором, т.к. она не будет влиять на на фенотипическое прояв-ие задатков, получаемых от гибрида.

Цитологическое обоснование этого правила появл-ся позже: Во время мейоза у гибрида F1(Аа) разн.пары хромосом расх-ся в дочерн.клетки независимо =>при случ.оплодотворении – 3 типа зигот (АА, Аа и аа). Др.док-во – тетрадный анализ (у мхов гетерозиг. Аа клетка дает тетраду гаплоидных спор. У половины развившихся из спор организмов генотип – А, у половины – а).

15.Представление об аллелях и их взаимодействиях: полное и неполное доминирование,

кодоминирование. Гомозиготность и гетерозиготность. Относительный характер

доминирования. Возможные биохимические механизмы доминирования.

Аллель - одно из возможных состояний гена, каждое из к-ых хар-ся уникальной последов-ью нуклеотидов.

Своеобразные внутриаллельные взаимод-ия набл-тся в случаях множественных аллелей. Множ-ыми наз-ся аллели, которые представлены в популяции более чем двумя аллельными состояниями. Они возникают в рез-те многократного мутирования одного и того же локуса хромосомы. По мимо доминантного и рецессивного генов появляются и промежуточные аллели, которые по отношению к доминантному ведут себя как рецессивные, а по отношению к рецессивному, как доминантные.

При полном дом-нии один ген полностью подавляет проявление другого гена (выпол-ся законы Менделя), при этом гомозиготы по домин-му признаку и гетерозиготы фенотипически неотличимы.

При неполном доминировании (промеж-ом наследовании) доминантный ген не полностью подавляет проявление действия рецес-ого гена. У гибридов первого поколения наблюд-ся промежуточное наследование, а во втором поколении - расщепление по фенотипу и генотипу одинаково 1:2:1 (прояв-ся доза действия генов). Напр., если скрестить растения душистого горошка с красными и белыми цветами первое поколение будет иметь розовые цветки.

При кодоминировании гены одной аллельной пары равнозначны, ни один из них не подавляет действия другого; если они оба находятся в генотипе, оба проявляют свое действие. Одновр-ое присутствие в генотипе генов JА и JВ обусловливает наличие в эритроцитах антигенов А и В (IV группа крови). Гены JА и JВ не подавляют друг друга - они яв-ся равноценными, кодоминантными.

Гомозиготность, состояние следственного аппарата организма, при котором гомологичные хромосомы имеют одну и ту же форму данного гена (см. Аллели). Переход гена в гомозиготное состояние приводит к проявлению в структуре и функции организма (фенотипе) рецессивных аллелей, эффект которых при гетерозиготности подавляется доминантными аллелями. Тестом на Гомозиготность служит отсутствие расщепления при определённых видах скрещивания. Гомозиготный организм образует по данному гену только один вид гамет.

Гетерозиготность, присущее всякому гибридному организму состояние, при котором его гомологичные хромосомы несут разные формы (аллели) того или иного гена или различаются по взаиморасположению генов («структурная Гетерозиготность»). Термин «Гетерозиготность» впервые введён английским генетиком У. Бэтсоном в 1902. Гетерозиготность возникает при слиянии разнокачественных по генному или структурному составу гамет в гетерозиготу. Структурная Гетерозиготность возникает при хромосомной перестройке одной из гомологичных хромосом, её можно обнаружить в мейозе или митозе. Выявляется Гетерозиготность при помощи анализирующего скрещивания. Гетерозиготность, как правило, — следствие полового процесса, но может возникнуть в результате мутации (например, у гомозиготы АА один из аллелей мутировал: А®А"). При Гетерозиготность эффект вредных и летальных рецессивных аллелей подавляется присутствием соответствующего доминантного аллеля и проявляется только при переходе этого гена в гомозиготное состояние. Поэтому Гетерозиготность широко распространена в природных популяциях и является, по-видимому, одной из причин гетерозиса. Маскирующее действие доминантных аллелей при Гетерозиготность — причина сохранения и распространения в популяции вредных рецессивных аллелей (т. н. гетерозиготное носительство). Их выявление (например, путём испытания производителей по потомству) осуществляется при любой племенной и селекционной работе, а также при составлении медико-генетических прогнозов.

Существование множественных аллелей само по себе указывает на относительный характер доминирования, на то, что оно проявляется только в конкретных условиях генотипической среды.

На биохимическом уровне часто наблюдается совместное доминирование аллелей одного гена: каждый из них дает свой вариант генопродукта – белка или другого вещества (при этом нуль–аллели дают отсутствие генопродукта).

16. Анализирующее скрещивание, анализ типов и соотношения гамет у гибридов.

Расщепление по фенотипу и генотипу во втором поколении и анализирующем

скрещивании при моногенном контроле признака и разных типах аллельных

взаимодействий.

Анализирующее-скрещивание гибрида с рецес-ой гомозиготой Аа*аа, при этом гомозиготную рецессивную особь наз-ся анализатором, т.к. она не будет влиять на на фенотипическое прояв-ие задатков, получаемых от гибрида. Гаметы гомозиготного рец-го орг-зма выяв-ют стр-ру генотипа, к-ый м.б. представлен 2 вариантами-АА и Аа. При скрещивание с доминантой гомозиготной формой все потомство будет единообразно, а при скрещ-ии с гетерозиготой будет набл-ся расщепл-ие по генотипу 1:1. (Р Аа*аа, Г А,а; а, F 1Аа:1аа). На оснговании этих рез-в мендель пришел к выводу, что рецессивные задатки не исчез-т в гетерозиготном орг-зме, а отс-ся в неизм-ми и прояв-ся при встрече с такими же рец-ми задатками.

Правило чистоты гамет:нах-еся в каждом орг-зме пары альтерн-ых признаков не смешив-ся, каждая гамета несет только по одному задатку каждого признака и свободна от других задатков этого признака.

Закономерности наследования при моногибридном скрещивании, открытые Г. Менделем: единообразие гибридов первого поколения, расщепление во втором поколении.

Второй закон Менделя — закон расщепления. При скрещивании гибридов первого поколения между собой (т.е. гетерозиготных особей) получается след-щий результат: Особи, содержащие доминантный ген А, имеют желтую окраску семян, а содержащие оба рецессивных - зеленую. След-но, отношение особей по фенотипу (окраске семян) - 3:1 (3 части с доминантным признаком и 1 часть - с рецессивным). По генотипу: 1 часть особей - желтые гомозиготы (АА), 2 части - желтые гетерозиготы (Аа) и 1 часть - зеленые гомозиготы (аа). Второй закон Менделя: при скрещивании гибридов первого поколения (гетерозиготных организмов), анализируемых по одной паре альтернативных признаков, наблюдается расщепление в соотношении 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.

17.Закономерности наследования в ди- и полигибридных скрещиваниях, при моногенном

контроле каждого признака. Общая формула расщеплений при независимом

наследовании.

Мендель открыл закон-сти наследования, проводя гибридизацию различных сортов гороха. Гибридизация - это скрещивание особей с различными генотипами. Скрещивание, при к-ом у родительских особей учитывается одна пара альтернативн. признаков, называется моногибридным, две пары признаков — дигибридным, более двух пар — полигибридным.

При изучении дигиб-го и полигиб-го скрещ-ия Мендель сфор-л закон независимого наслед-ия признаков: при ди- и полигиб-х скрещиваниях каждая пара признаков наследуется независимо от других, расщепляясь 3:1 и может независимо комбинироваться с другими признаками. При анал-щем скрещивании расщепление по фенотипу и по генотипу совпадает 1:1:1:1.

Основываясь на независимости наслед-ия признаков, локализованных в разных парах гомолог.хр-м, Мендель вывел цифровые законом-сти для любого полигиб-го скрещивания, где каждый признак ведет себя как при моногибр-м скрещивании.

Основываясь на независимости наслед-ия признаков, локализованных в разных парах гомолог.хр-м, Мендель вывел цифровые законом-сти для любого полигиб-го скрещивания, где каждый признак ведет себя как при моногибр-м скрещивании:

2n-число сортов гамет, обр-ых гибридом

2n-число фенотип-х классов, образуемых при скрещ-ии гибридов.

3n-число генотип-х классов.

4n-число возм-х перекомб-ции гамет

(3:1)n-формула расщеп-ии по фенотипу.

(1:2:1)n-формула расщеплении по генотипу.

18.Неаллельные взаимодействия. Биохимические основы неаллельных взаимодействий.

Плейотропное действие генов. Пенентрантность и экспрессивность.

Гены, расположенные в разных локусах, как на одной, так и разных хромосомах, называются неаллельными, их взаимодействие называется межаллельным. Различают следующие его виды: комплиментарность, эпистаз и полимерию. При комплиментарности присутствие в одном генотипе двух доминантных (рецессивных) генов из разных аллельных пар приводит к появлению нового варианта признака. Типичный пример - развитие слуха у человека. Для нормального слуха в генотипе человека должны присутствовать доминантные гены из разных аллельных пар D и Е. Ген D отвечает за нормальное развитие улитки; а ген Е — за развитие слухового нерва. У рецессивных гомозигот (dd) будет недоразвита улитка, а при генотипе ее — недоразвит слуховой нерв. Люди с генотипами D-ее, ddE- и ddee будут глухими.

При эпистазе доминантный (рецессивный) ген из одной аллельной пары подавляет действие доминантного (рецессивного) гена из другой аллельной пары. Это явление противоположно комплементарности. а) гены, оказывающие доминантный эффект, называются эпистатическими генами или генами-супрессорами. По отношению к ним — это доминантный эпистаз.

У кур доминантный ген С детерминирует синтез пигмента, а доминантный аллель другого гена I является его супрессором, и куры с генотипом С-I- имеют белое оперение.

У человека описан «бомбейский феномен» в наследовании групп крови по АВО системе. У женщины, получившей от матери аллель JВ, фенотипически определялась I(0) группа крови. При детальном исследовании было установлено, что действие гена JВ (синтез в эритроцитах антигена В) было подавлено редким рецессивным геном, который в гомозиготном состоянии оказал эпистатическое действие.

в) гены, усиливающие доминантное действие, называются генами - интенсификаторами. Подавляемые гены называются гипостатическими генами. По отношению к ним — это рецессивный эпистаз. Эпистаз широко распространен в природе, однако его биохимические механизмы изучены мало.

В случае, когда взаимодействуют гены из разных аллельных пар, но с одинаковым дополняющим друг друга влиянием на признак, их называют полигенами или полимерными генами. Само явление такого взаимодействия получило название полимерии. При этом степень проявления признака зависит от числа доминантных аллелей полигенов. Такие признаки называются количественными. Полимерные гены принято обозначать одной буквой латинского алфавита с цифровыми индексами, например, А1А1А2А2а3а3 и т.д. Признаки, детерминируемые полимерными генами, называются полигенными. Таким образом, наследуются многие количественные и некоторые качественные признаки у животных и человека: рост, масса тела, величина артериального давления, цвет кожи и др. Степень проявления этих признаков зависит от количества доминантных генов в генотипе (чем их больше, тем сильнее выражен признак) и в значительной мере от влияния условий среды. У человека может наблюдаться предрасположенность к различным заболеваниям: гипертонической болезни, ожирению, сахарному диабету, шизофрении и др. Данные признаки при благоприятных условиях среды могут и не проявиться или быть слабо выраженными. Это отличает полигенно наследуемые признаки от моногенных. Изменяя условия среды и проводя профилактические мероприятия можно значительно снизить частоту и степень выраженности некоторых мультифакториальных заболеваний. Суммирование «доз» полимерных генов (аддитивное действие) и влияние среды обеспечивает существование непрерывных рядов количественных изменений. Минимальное количество полимерных генов, при котором проявляется признак, называется пороговым эффектом.

Обнаружено много примеров комплементарного и эпистатического действия генов у микроорганизмов, растений, животных и человека. В основе взаимодействия неаллельных генов лежит биохимическое отношение между белками-ферментами, которые кодируются комплементарными или эпистатическими генами.

Зависимость нескольких признаков от одного гена носит название плейотропии. Обнаружено, что у овса окраска чешуи и длина ости семян определяются одним геном. У человека аномалия, известная под названием "паучьи пальцы", обусловлена геном, с которым связаны также нарушения в строении.

С другой стороны, один и тот же признак может определяться разными генами — это явление генокопии.

Наконец, выделяют также явление фенокопии, когда признак обусловлен не действием гена, а влиянием фактора внешней среды. Классический пример — функция зрения. Эта функция определяется группой генов, продукты действия которых, взаимодействуют друг с другом сложным образом в течение всей жизни индивида и обеспечивают развитие и поддержание функций глаз и мозга. В случае нарушения целостности этой системы под действием генетических и/или средовых причин может развиться слепота.

Показателями зависимости функционирования гена от генотипа служат экспрессивность и пенетрантность.

Экспрессивность — это степень выраженности одного и того же варьирующего признака у разных лиц, имеющих ген, контролирующий этот признак. Отмечается низкая или высокая экспрессивность.

Пенетрантность — это вероятность проявления признака у разных лиц, имеющих ген, контролирующий этот признак. Пенетрантность измеряется в долях лиц (процентах), имеющих данный признак, по отношению к общему числу лиц, являющихся носителями

19.Особенности наследования количественных признаков (полигенное наследование).

Использование статистических методов при изучении количественных признаков.

Многие из самых заметных признаков организма представляют собой результат совместного действия многих различных генов; эти гены образуют особый генный комплекс, называемый полигенной системой. Хотя вклад каждого отдельного гена, входящего в такую систему, слишком мал, чтобы оказать сколько-нибудь значительное влияние на фенотип, почти бесконечное разнообразие, создаваемое совместным действием этих генов (полигенов), составляет генетическую основу непрерывной изменчивости.

На полигенное наследование немаловажное влияние оказывают негенетические факторы, такие как климат, питание, болезни. Причем чем больше полигенов влияют на проявление признака, тем он устойчивее по отношению к негенетическим факторам. Большое значение при полимерии занимает трансгрессия. При трансгрессии в поколении F2 половина особей будет иметь более выраженный признак, чем у родительских форм, а другая половина менее выраженный признак. Явление трансгрессии используется в селекционной деятельности. При этом искусственный отбор будет направлен на закрепление признаков у особей с положительной трансгрессией (А1А1А2А2...) и удаление особей с отрицательной трансгрессией (а1а1а2а2...).

20.Половые хромосомы, гомо- и гетерогаметный пол; типы хромосомного определения

пола. Балансовая теория определения пола. Гинандроморфизм.

Балансовая теория пола К. Бриджеса

При изучении наследования пола у мухи дрозофилы было установлено, что самцы могут иметь разные наборы половых хромосом XY и ХО (последние имеют все признаки мужского пола, но стерильные, так как в Y-хромосоме содержатся гены, необходимые для нормального течения сперматогенеза). Из этого был сделан вывод, что Y-хромосома у мухи дрозофилы не имеет существенного значения для определения мужского пола. Затем были получены особи с разнообразными сочетаниями числа Х-хромосом и наборов аутосом (А) и изучен их пол:

2Х: 2А — нормальные самки;

1Х: 2А — нормальные самцы;

ЗХ: 2А — сверхсамки; гипертрофированы признаки женского пола, бесплодны;

1Х: ЗА — сверхсамцы; гипертрофированы признаки мужского пола, бесплодны;

2X: ЗА — интерсексы; имеют признаки обоих полов, бесплодны.

Пол в данном случае определяется не половыми хромосомами, а отношением (балансом) числа Х-хромосом и количества наборов аутосом. Если это отношение 1: 1— развиваются нормальные самки, если отношение 1: 2— развиваются нормальные самцы. Чем больше в кариотипе Х-хромосом, тем более выражены признаки женского пола; чем больше наборов аутосом, тем резче проявляются признаки мужского пола. При отношении 1: 1,5 (2Х: ЗА) развиваются признаки обоих полов.

При нарушении течения митоза могут образовываться особи — гинандроморфы. Содержание половых хромосом в разных клетках таких особей разное (мозаичность). Например, у мухи дрозофилы в одних клетках содержатся две Х-хромосомы, а в других — ХО, в связи с чем разные части тела могут иметь соответствующие признаки пола. У человека могут быть разные случаи мозаицизма: ХХ/ХХХ, XY/XXY, ХО/ХХХ, ХО/XXY и др. Если процент мозаичных клеток велик, возможны морфо-физиологические проявления.

22.Значение работ школы Т. Моргана в изучении сцепленного наследования признаков.

Особенности наследования при сцеплении. Группы сцепления.

Из третьего закона Менделя следует, что при скрещивании форм, различающихся двумя парами генов (АВ и ab), получается гибрид AaBb, образующий четыре сорта гамет AB, Ab, aB и ab в равных количествах.

В соответствии с этим в анализирующем скрещивании осуществляется расщепление 1:1:1:1, т. е. сочетания признаков, свойственные родительским формам (АВ и аb), встречаются с такой же частотой, как и новые комбинации (Аb и аВ),— по 25%. Однако по мере накопления фактов генетики все чаще стали сталкиваться с отклонениями от независимого наследования. В отдельных случаях новые комбинации признаков (Ab и aB) в Fa совсем отсутствовали - наблюдалось полное сцепление между генами исходных форм. Но чаще в потомстве в той или иной степени преобладали родительские сочетания признаков, а новые комбинации встречались с меньшей частотой, чем ожидается при независимом наследовании, т.е. меньше 50%. Таким образом, в данном случае гены чаще наследовались в исходном сочетании (были сцеплены), но иногда это сцепление, нарушалось, давая новые комбинации.

Совместное наследование генов, ограничивающее их свободное комбинирование, Морган предложил называть сцеплением генов или сцепленным наследованием.

Принципы наследственности:

1. Фактор — ген есть определенный локус хромосомы.

2. Аллели гена расположены в идентичных локусах гомоло1 гичных хромосом.

3. Гены расположены в хромосоме линейно.

4. Кроссинговер — регулярный процесс обмена генами между гомологичными хромосомами.

Определение группы сцепления.

Если гены расположены в хромосоме линейно, а частота кроссинговера отражает расстояние между ними, то можно определить местоположение гена в хромосоме.

Прежде чем определить положение гена, т.е. его локализацию, необходимо определить, в какой хромосоме находится данный ген. Гены, находящиеся в одной хромосоме и наследующиеся сцеплено, составляют группу сцепления. Очевидно, что количество групп сцепления у каждого вида должно соответствовать гаплоидному набору хромосом.

К настоящему времени группы сцепления определены у наиболее изученных в генетическом отношении объектов, причем во всех этих случаях обнаружено полное соответствие числа групп сцепления гаплоидному числу хромосом. Так, у кукурузы (Zea mays) гаплоидный набор хромосом и число групп сцепления составляют 10, у гороха (Pisum sativum) - 7, дрозофилы (Drosophila melanogaster) - 4, домовой мыши (Mus musculus) - 20 и т.п.

Принцип определения принадлежности гена к той или иной группе сцепления сводится к установлению характера наследования этого гена по отношению к другим генам, находящимся в уже известной группе сцепления.

Однако генетическими методами невозможно определить, какая конкретная пара гомологичных хромосом кариотипа аналогична соответствующей группе сцепления. Для этого требуются дополнительные цитогенетические исследования. В последнее время для определения группы сцепления используют метод гибридизации соматических клеток.

23.Кроссинговер. Доказательства происхождения кроссинговера в мейозе и митозе на

стадии четырех нитей. Значение анализирующего скрещивания и тетрадного анализа при

изучении кроссинговера. Цитологические доказательства кроссинговера.

Открытие кроссинговера. При допущении размещения в одной хромосоме более одного гена встает вопрос, могут ли аллели одного гена в гомологичной паре хромосом меняться местами, перемещаясь из одной гомологичной хромосомы в другую. Если бы такой процесс не происходил, то гены комбинировались бы только путем случайного расхождения негомологичных хромосом в мейозе, а гены, находящиеся в одной паре гомологичных хромосом, наследовались бы всегда сцеплено - группой.

Исследования Т. Моргана и его школы показали, что в гомологичной паре хромосом регулярно происходит обмен генами. Процесс обмена идентичными участками гомологичных хромосом с содержащимися в них генами называют перекрестом хромосом или кроссинговером. Кроссинговер обеспечивает новые сочетания генов, находящихся в гомологичных хромосомах. Явление кроссинговера, так же как и сцепление, оказалось общим для всех животных, растений и микроорганизмов. Наличие обмена идентичными участками между гомологичными хромосомами обеспечивает обмен или рекомбинацию генов и тем самым значительно увеличивает роль комбинативной изменчивости в эволюции.

Генетический анализ кроссинговера.

О перекресте хромосом можно судить по частоте возникновения организмов с новым сочетанием признаков. Такие организмы называют рекомбинантами.

Рассмотрим один из классических опытов Моргана на дрозофилы, позволивший ему доказать, что гены расположены в хромосомах в определенном порядке.

У дрозофилы рецессивный ген черной окраски тела обозначается b, а его доминантная аллель, определяющая дикую серую окраску, - b+, ген рудиментарных крыльев - vg, нормальных - vg+. При скрещивании мух, различающихся по двум парам сцепленных признаков, серых с рудиментарными крыльями b+vgb+vg и черных с нормальными крыльями bvg+bvg+ - гибриды F1 b+vg bvg+ серые с нормальными крыльями.

На рисунке представлены два анализирующих скрещивания: в одном дигетерозиготой является самец, в другом — самка. Если гибридные самцы скрещиваются с самками, гомозиготными по обоим рецессивным генам (♀ bvgbvg ♂ Х b+vgbvg+), то в потомстве получается расщепление в отношении 1 серотелая муха с рудиментарными крыльями: 1 чернотелая с нормальными крыльями. Следовательно, данная дигетерозигота образует только два сорта гамет (b+vg и b+vg) вместо четырех, причем сочетание генов, в гаметах самца соответствует тому, которое было у его родителей. Исходя из указанного расщепления, следует предположить, что у самца не происходит обмен участками гомологичных хромосом. Действительно, у самцов дрозофилы как в аутосомах, так и в половых хромосомах, кроссинговер в норме не происходит, благодаря чему наблюдается полное сцепление генов, находящихся в одной хромосоме.

Может возникнуть предположение, что серая окраска тела и рудиментарные крылья, а также черное тело и нормальные крылья - это пары признаков, наследующихся вместе вследствие плейотропного действия одного гена. Однако если взять для анализа гетерозиготных самок, а не самцов, то в Fb, наблюдается иное расщепление. Кроме родительских комбинаций признаков, появляются новые - мухи с черным телом и рудиментарными крыльями, а также с серым телом и нормальными крыльями. В этом скрещивании сцепление тех же генов нарушается за счет того, что гены в гомологичных хромосомах поменялись местами благодаря кроссинговеру.

Гаметы с хромосомами, претерпевшими кроссннговер, называют кроссоверными, а с непретерпевшими - некроссоверными. Соответственно организмы, возникшие от сочетания кроссоверных гамет гибрида с гаметами анализатора, называют кроссоверами или рекомбинантами, а возникшие за счет некроссоверных гамет гибрида — некроссоверными или нерекомбинантными.

Механизм кроссинговера

Мейотический перекрест.

Еще до открытия перекреста хромосом генетическими методами цитологии, изучая профазу мейоза, наблюдали явление взаимного обвивания хромосом, образования ими Х-образных фигур — хиазм (z-греческая буква «хи»). В 1909 г. Ф. Янсенс высказал предположение, что хиазмы связаны с обменом участками хромосом. Впоследствии эти картины послужили дополнительным аргументом в пользу гипотезы генетического перекреста хромосом, выдвинутой Т. Морганом в 1911 г.

Механизм перекреста хромосом связан с поведением гомологичных хромосом в профазе I мейоза. Вспомним его особенности. В профазе I гомологичные хромосомы конъюгируют идентичными участками. Каждая хромосома в биваленте состоит из двух хроматид, а бивалент соответственно из четырех. Таким образом, конъюгация - единственный момент, когда может осуществляться кроссинговер между гомологичными хромосомами. Итак, кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид и приурочен к образованию.хиазм.

Если в одном биваленте произошел не один обмен, а два и более, то в этом случае образуется несколько хиазм. Поскольку в биваленте четыре хроматиды, то, очевидно, каждая из них имеет равную вероятность обменяться участками с любой другой. При этом в обмене могут участвовать две, три или четыре хроматиды.

На рисунке 50 приведена схема подобных обменов: 1) реципрокного двойного обмена между двумя несестринскими хроматидами, не дающего рекомбинаций генов, если гены-маркеры не затронуты обменом; 2) диагонального обмена, когда две сестринские хроматиды в двух разных районах одновременно вступают в одинарный перекрест с одной и той же несестринской хроматидой, а четвертая хроматида не вовлечена в обмен. В результате такого двойного обмена возникают три рекомбинантные хромосомы и одна остается нерекомбинантной (рис. 50,2,3); 3) комплементарного обмена, когда все четыре хроматиды претерпевают одинарные обмены в разных районах, две несестринские хроматнды из четырех попарно претерпевают одинарный обмен в одном месте, а две другие — в другом, вследствие чего возникают четыре рекомбинантные хромосомы (рис. 50,4). В этом случае двойные кроссоверы могут возникать как следствие одновременных одинарных обменов между хроматидами при участии в обмене трех хроматид.

До сих пор.рассматривался кроссинговер между несестринскими хроматидами. Обмен внутри сестринских хроматид не может приводить к рекомбинациям, поскольку они генетически идентичны, и в силу этого такой обмен не имеет смысла в качестве биологического механизма комбинативной изменчивости.

Соматический (митотический) кроссинговер. Как уже говорилось, кроссинговер происходит в профазе 1 мейоза при образовании гамет. Однако существует соматический или митотическии кроссинговер, который осуществляется при митотическом делении соматических клеток главным образом эмбриональных тканей.

Известно, что гомологичные хромосомы в профазе митоза обычно не конъюгируют и располагаются независимо друг от друга. Однако иногда, удается наблюдать синапсис гомологичных хромосом и фигуры, похожие на хиазмы, но при этом редукции числа хромосом не наблюдается.

Соматический кроссинговер может приводить к мозаичности в проявлении признаков.

Учет кроссинговера при тетрадном анализе

У высших организмов о кроссинговере, происшедшем в профазе мейоза, судят по частоте кроссоверных особей-рекомбинантов, считая, что появление их отражает соотношение кроссоверных и некроссоверных гамет.

Для прямого доказательства соответствия рекомбинантных зигот кроссоверным гаметам необходимо определять результаты кроссинговера непосредственно по гаплоидным продуктам мейоза. При этом гены должны проявлять свое действие в гаплофаза. Объектом, на котором удалось осуществить подобное исследование, явился, например, плесневой гриб (Neurospora crassa), большая часть жизненного цикла которого приходится на гаплофазу, а диплоидная фаза очень короткая.

Вскоре после оплодотворения зигота приступает к мейотическому делению, которое приводит к образованию аска — сумки гаплоидными спорами. При делениях веретено своей осью совпадает с продольной осью сумки. Поэтому продукты мейоза - споры - располагаются в сумке цепочкой. В мейозе протекают два обычных деления созревания, затем одно митотическое, в результате чего в каждой сумке образуется 8 аскоспор.

Поскольку у нейроспоры имеется возможность непосредственно определять результаты кроссинговера по продуктам мейоза, установление в этом случае характера расщепления будет прямым доказательством того, что расщепление и кроссинговер осуществляются в мейозе. Этот метод является разновидностью уже описанного тетрадного анализа, но применительно к сцепленным генам.

В случае моногибридного скрещивания ожидается расщепление по гаплоидным продуктам (спорам) в соотношении1А:1а. В асках среди 8 спор - 4 окрашенные (А) и 4 неокрашенные (а) споры, т.е. наблюдается расщепление 1: 1. При отсутствии кроссинговепа между геном и центромерой порядок расположения спор в сумке таков: ААААаааа. Если порядок аскоспор меняется, например ААааААаа, то это будет говорить о происшедшем перекресте между локусом а и центромерой.

Расположение спор будет зависеть от расхождения хромосом в первом и втором мейотических делениях. Аллели А и а могут распределиться в сумке по спорам и в ином порядке: ааААааАА, ааААААаа, ААааааАА.

В рассматриваемом случае перекрест происходит на участке между локусом данного гена и центромерой. Чем дальше ген а будет удален от центромеры, тем вероятнее перекрест и, следовательно, больше будет кроссоверных асков. Если перекрест произойдет между дистальным концом хромосомы и геном а, то кроссоверное расположение аскоспор не будет обнаружено.

Изменение порядка спор в аске при кроссинговере между геном и центромерой возможно только в случае, если он осуществляется на стадии четырех нитей, т. е. между хроматидами. Если бы рекомбинация происходила в момент, когда каждая хромосома еще не удвоилась, порядок спор в аске не изменился бы. Следовательно, изменение порядка спор в данном случае служит доказательством того, что кроссинговер осуществляется между несестринскими хроматидами, т. е. на стадии четырех нитей.

Поэтому, говоря о механизме и генетических последствиях кроссинговера, лишь для простоты объясняют его обменом между целыми хромосомами; на самом деле обмен происходит между хроматидами. Указанные особенности нейроспоры дают возможность определить место гена в хромосоме, учитывая расщепление только по одной паре аллелей, что невозможно у диплоидных организмов, для которых нельзя провести тетрадный анализ.

Таким образом, тетрадный анализ доказывает, что как менделевское расщепление, так и кроссинговер основаны на закономерностях мейоза.

Цитологическое доказательство кроссинговера

После того как генетическими методами удалось установить явление кроссинговера, необходимо было получить прямое доказательство обмена участками гомологичных хромосом, сопровождающегося рекомбинацией генов. Наблюдаемые в профазе мейоза картины хиазм могут служить лишь косвенным доказательством этого явления, констатация происшедшего обмена прямым наблюдением невозможна, так как обменивающиеся участками гомологичные хромосомы обычно абсолютно одинаковы по величине и форме.

Крейтов и Мак-Клинток удалось получить у кукурузы форму, у которой гомологичные хромосомы различались морфологически — одна была нормальной, а другая несла утолщение на конце одного плеча, второе ее плечо было удлинено. Эти особенности в строении пары хромосом легко обнаруживались при цитологических исследованиях.

В опыте нормальная хромосома несла рецессивный ген с (неокрашенный эндосперм) и доминантный ген wx+ (крахмалистый эндосперм), измененная хромосома - доминантный ген с+ (окрашенный эндосперм) и рецессивный ген wx (восковидный эндосперм). Дигетерозиготу скрещивали с линией, имеющей морфологически нормальные хромосомы, меченные рецессивными генами с и wx. В потомстве получили как некроссоверные, так и кроссоверные зерна. При цитологическом изучении их было обнаружено, что кроссоверные зерна неизменно содержали хромосомы с обменявшимися участками: нормальной длины, но с утолщением или удлиненную без утолщения.

Таким образом, одновременно цитологически и генетически было показано, что рекомбинация генов сопровождается обменом участками гомологичных хромосом в профазе мейоза.

24. Множественные перекресты. Интерференция. Линейное расположение генов в

хромосомах. Основные положения хромосомной теории наследственности по Т. Моргану.

Морган предположил, что кроссинговер между двумя генами может происходить не только в одной, но и в двух и даже большем числе точек. Четное число перекрестов между двумя генами, в конечном счете, не приводит к их перемещению из одной гомологичной хромосомы в другую, поэтому число кроссинговеров и, следовательно, расстояние между этими генами, определенное в эксперименте, снижаются. Обычно это относится к достаточно далеко расположенным друг от друга генам. Естественно, что вероятность двойного перекреста всегда меньше вероятности одинарного. В принципе она будет равна произведению вероятности двух единичных актов рекомбинации. Например, если одиночный перекрест будет происходить с частотой 0,2, то двойной – с частотой 0,2 × 0,2 = 0,04. В дальнейшем, наряду с двойным кроссинговером, было открыто и явление множественного кроссинговера: гомологичные хроматиды могут обмениваться участками в трех, четырех и более точках.

Интерференция – это подавление кроссинговера на участках, непосредственно прилегающих к точке происшедшего обмена. Рассмотрим пример, описанный в одной из ранних работ Моргана. Он исследовал частоту кроссинговера между генами w (white – белые глаза), у (yellow – желтое тело) и m (miniature – маленькие крылья), локализованными в Х-хромосоме D. melanogaster. Расстояние между генами w и у в процентах кроссинговера составило 1,3, а между генами у и m – 32,6. Если два акта кроссинговера наблюдаются случайно, то ожидаемая частота двойного кроссинговера должна быть равна произведению частот кроссинговера между генами у и w и генами w и m. Другими словами, частота двойных кроссинговеров будет 0,43%. В действительности в опыте был обнаружен лишь один двойной кроссинговер на 2205 мух, т. е. 0,045%. Ученик Моргана Г. Меллер предложил определять интенсивность интерференции количественно, путем деления фактически наблюдаемой частоты двойного кроссинговера на теоретически ожидаемую (при отсутствии интерференции) частоту. Он назвал этот показатель коэффициентом коинциденции, т. е. совпадения. Меллер показал, что в Х-хромосоме дрозофилы интерференция особенно велика на небольших расстояниях; с увеличением интервала между генами интенсивность ее уменьшается и на расстоянии около 40 морганид и более коэффициент коинциденции достигает 1 (максимального своего значения).

Представления о расположении генов на хромосомах (в группах сцепления) сводятся к тому, что они располагаются в линейном порядке, причем, чем больше расстояние между генными локусами,тем большей является частота кроссинговера между ними и наоборот, линейный порядок генов характерен для групп сцепления всехорганизмов, включая человека, и определяет принципы построениягенетических карт хромосом, которые представляют собой графическое изображение расстояний между генами в группах сцепления.

Эти представления указывали на то, что линейный порядок характерен не толькодля расположения генов на хромосомах, но и для организации генетического материала внутри генов.

Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности:

Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.

Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря нему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.

Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом.

5.Генетические карты, принцип их построения у эукариот. Цитологические карты

хромосом. Митотический кроссинговер и его использование для картирования хромосом.

Генетическая карта хромосомы - схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Для сотавления генетических карт хромосом необходимо выявление множество мутантных генов и проведения многочисленных скрещиваний. Расстояние между генами на генетической карте хромосом определяют по чистоте кроссинговера между ними. Единицей расстояния генетической карте хромосом мейотически делящихся клеток является морганида, соотвеьсвующая одному проценту кроссинговера. Для построения генетической карты хромосомы эукариот (наиболее подробная гентические карты сотавленны для дрозофилы, у которой изучено более тысячи мутантных генов, а также для кукурузы, имеющей в десяти группых сцепления с выше четырехсот генов) используют меотический и митотический кроссинговер. Сравнение генетических карт хромосом, построенных разными методами у одного и того же вида, выявляет одинаковый порядок расположение генов, хотя расстоуние между конкретными генами на мейотических и митотических генетических картах хромосом могут различаться. В норме генетические карты хромосом у эукариот линейные, однако, например, при построении генетических карт хромосом у гетерозигот по транслакации получается генетическая карта хромосом в виде креста. Это указывает на то, что форма карт отражает характер конъюгации хромосом. У прокариот и вирусов генетические карты хромосом также строят с помощью рекомбинации. При картировании генов у бактерий с помощью конъюгации получается кольцевая генетическая карта хромосомы. Значение генетических карт позволяет планировать работу по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что используется в генетических экспериментах селекционной практике. Сравнение генетических карт хромосом разных видов способствует эволюциоонному процессу. На основе же генетических карт проводят генетический анализ.

Цитологическая карта хромосомы представляет собой фотографию или точный рисунок хромосомы, на котором отмечается последовательность расположения генов. Ее строят на основе сопоставления результатов анализирующего скрещивания и хромосомных перестроек. Например, если хромосома с доминантными генами будет последовательно терять отдельные локусы (при воздействии на нее мутагенов), то в гетерозиготе начнут проявляться рецессивные признаки. Порядок проявления признаков будет указывать на последовательность расположения генов.

Соматический (митотический) кроссинговер.

В соматических клетках иногда происходят обмены между хроматидами гомологичных хромосом, в результате которых наблюдается комбинативная изменчивость, подобная той, которая регулярно генерируется мейозом. Нередко, особенно у дрозофилы и низших эукариот, гомологичные хромосомы синаптируют в митозе. Одна из аутосомно-рецессивных мутаций человека, в гомозиготном состоянии приводящая к тяжелому заболеванию, известному под названием синдром Блюма, сопровождается цитологической картиной, напоминающей синапсис гомоло¬гов и даже образование хиазм. Доказательство митотического кроссинговера было получено на дрозофиле при анализе изменчивости признаков, определяемых генами у (yellow – желтое тело) и sn (singed – опаленные щетинки), которые находятся в Х-хромосоме. Самка с генотипом ysn+ / y+sn гетерозиготна по генам у и sn, и поэтому в отсутствие митотического кроссинговера ее фенотип будет нормальным. Однако если кроссинговер произошел на стадии четырех хроматид между хромати¬дами разных гомологов (но не между сестринскими хро¬матидами), причем место обмена находится между геном sn и центромерой, то образуются клетки с генотипами y sn+ / y+ sn+ и y+sn/y+n. В этом случае на сером теле мухи с нормальными щетинками появятся близнецовые мозаичные пятна, одно из которых будет желтого цвета с нор¬мальными щетинками, а другое – серого цвета с опаленными щетинками. Для этого необходимо, чтобы после кроссинговера обе хромосомы (бывшие хроматиды каж¬дого из гомологов) y+ sn отошли к одному полюсу клетки, а хромосомы y sn+ – к другому. Потомки дочерних клеток, размножившись на стадии куколки, и приведут к появлению мозаичных пятен. Таким образом, мозаичные пятна образуются тогда, когда рядом расположены две группы (точнее, два клона) клеток, фенотипически отличающиеся друг от друга и от клеток остальных тканей данной особи.

35.Комбинативная изменчивость, механизм ее возникновения, роль в эволюции и

селекции.

Комбинативная изменчивость – это изменчивость, вызываемая расщеплением и перекомбинацией мутаций. Она обусловлена перекомбинацией генов родителей, без изменения структуры генетического материала. Механизмы ее следующие: 1) рекомбинация генов при кроссинговере; 2) независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе; 3) случайное сочетание гамет при оплодотворении.

Например, если у родителей I и IV группы крови, то у детей могут быть либо II, либо III группы крови.

Все три основных источника комбинативной изменчивости действуют независимо и одновременно, создавая огромное разнообразие генотипов. Однако новые комбинации генов не только легко возникают, но также и легко разрушаются при передаче из поколения в поколение. Именно поэтому часто в потомстве выдающихся по качествам живых организмов появляются особи, уступающие родителям.

Для закрепления желательных признаков селекционеры используют близкородственные скрещивания. Благодаря таким скрещиваниям возрастает вероятность встречи одинаковых гамет, и могут возникнуть потомки с комбинацией генов, близкой к родительской комбинации. Таким путем созданы некоторые породы животных и сорта растений.

Изменчивость особей в популяции - причина ее неоднородности,

эффективности действия естественного отбора. Наследственная изменчивость —

способность организмов изменять свои признаки и передавать изменения

потомству. Роль мутационной и комбинативной изменчивости особей в эволюции.

Изменение генов, хромосом, генотипа — материальные основы мутационной

изменчивости. Перекрест гомологичных хромосом, их случайное расхождение в

мейозе и случайное сочетание гамет при оплодотворении — основа

комбинативной изменчивости.

36.Геномные изменения: полиплоидия. Автополиплоиды, особенности мейоза и характер

наследования. Аллополишгоиды. Амфидиплоидия как механизм возникновения

плодовитых аллополиплоидов. Роль полиплоидии в эволюции и селекции.

Полиплоидия (от греч. polýploos — многопутный, здесь — многократный и éidos — вид), кратное увеличение числа хромосом в клетках растений или животных. П. широко распространена в мире растений. Среди раздельнополых животных встречается редко, главным образом у аскарид и некоторых земноводных.

Соматические клетки растений и животных, как правило, содержат двойное (диплоидное) число хромосом (2 n); одна из каждой пары гомологичных хромосом происходит от материнского, а другая — от отцовского организмов. В отличие от соматических, половые клетки имеют уменьшенное исходное (гаплоидное) число хромосом (n). В гаплоидных клетках каждая хромосома единична, не имеет парной себе гомологичной. Гаплоидное число хромосом в клетках организмов одного вида называется основным, или базовым, а совокупность генов, заключённую в таком гаплоидном наборе, — геномом. Гаплоидное число хромосом в половых клетках возникает вследствие редукции (уменьшения) вдвое числа хромосом в мейозе, а диплоидное число восстанавливается при оплодотворении. (Довольно часто у растений в диплоидной клетке бывают т. н. В-хромосомы, добавочные к какой-либо из хромосом. Роль их мало изучена, хотя у кукурузы, например, всегда имеются такие хромосомы.) Число хромосом у различных видов растений весьма разнообразно. Так, один из видов папоротника (Ophioglosum reticulata) имеет в диплоидном наборе 1260 хромосом, а у самого филогенетически развитого семейства сложноцветных вид Haplopappus gracilis имеет всего 2 хромосомы в гаплоидном наборе.

При П. наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в соматических клетках и от гаплоидного — в половых. При П. могут возникать клетки, в которых каждая хромосома представлена трижды (3 n) — триплоидные, четырежды (4 n) — тетраплоидные, пять раз (5 n) — пентаплоидные и т.д. Организмы с соответственным кратным увеличением наборов хромосом — плоидности — в клетках называются триплоидами, тетраплоидами, пентаплоидами и т.д. или в целом — полиплоидами.

Возникновение клеток с числом хромосом 3-, 4-, 5-кратным (и более) гаплоидному набору, называется геномными мутациями, а получаемые формы — эуплоидными. Наряду с эуплоидией часто встречается анеуплоидия, когда появляются клетки с изменением числа отдельных хромосом в геноме (например, у сахарного тростника, пшенично-ржаных гибридов и др.). Различают автополиплоидию, и аллополиплоидию.

Автополиплоидия (от авто... и полиплоидия), кратное увеличение в клетках организма исходного, характерного для вида набора хромосом. А. имеет значение в онтогенезе растений и животных, а также в филогенезе (видообразовании), главным образом у растений; у животных же — при партеногенезе. Вызывая А. искусственно (высокой температурой, излучениями, химическими соединениями), удалось получить автополиплоидные формы и сорта гречихи, ржи, сахарной свёклы и др.

Аллополиплоидия (от греч. állos — другой и polýploos — многократный),

соединение в клетках организма наборов хромосом от разных видов или родов. Т. о., А. — сочетание полиплоидии с гибридизацией. Различают аллодиплоиды (совмещающие два генома от разных видов), аллотетраплоиды (амфидиплоиды), сесквиполиплоиды (с полуторным набором хромосом) и др. А. имеет значение в процессах видообразования

Амфидиплоиды (от греч. amphí — с обеих сторон, diplóos — двойной и éidos — вид), аллотетраплоиды, гибридные организмы, в клетках которых сочетаются полные диплоидные наборы хромосом двух разных видов. А. — частный случай аллополиплоидии. Имеют значение в видообразовании, используются в ресинтезе (воссоздании) старых видов (например, экспериментально в результате скрещивания терна Prunus spinosa с алычой P. divaricata получена культурная слива P. domestica) и в создании новых форм и даже видов растений. Получены, например, А. между рожью и пшеницей — тритикале, пшеницей и пыреем — пшенично-пырейные гибриды, капустой и редькой — рафанобрассика; среди животных известны А. у шелкопрядов.

П. имела огромное значение в эволюции дикорастущих и культурных растений (полагают, что около трети всех видов растений возникли за счёт П., хотя в некоторых группах, например у хвойных, грибов, это явление наблюдается редко), а также некоторых (преимущественно партеногенетических) групп животных. Доказательством роли П. в эволюции служат т. н. полиплоидные ряды, когда виды одного рода или семейства образуют эуплоидный ряд с увеличением числа хромосом, кратным основному гаплоидному (например, пшеница Triticum monococcum имеет 2n = 14 хромосом, Tr. turgidum и др. — 4n = 28, Tr. aestivum и др. —6n = 42). Полиплоидный ряд видов рода паслён (Solanum) представлен рядом форм с 12, 24, 36, 48, 60, 72 хромосомами. Среди партеногенетически размножающихся животных полиплоидные виды не менее часты, чем среди апомиктических растений (см. Апомиксис, Партеногенез). Советскому учёному Б. Л. Астаурову впервые удалось искусственно получить плодовитую полиплоидную форму (тетраплоид) из гибридов двух видов шелкопряда: Bombyx mori и В. mandarina. На основании этих работ им предложена гипотеза непрямого (через партеногенез и гибридизацию) происхождения раздельнополых полиплоидных видов животных в природе.

37.Геномные изменения: анеуплоидия. Анеуплоидия: нуллисомики, моносомики,

нолисомики, их использование и генетическом анализе. Особенности мейоза и

образования гамет у анеуплоидов, их жизнеспособность и плодовитость.

Анеуплоидия — некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n+1, 2n+2, и т. д.). Анеуплоидия не только приводит к изменению характера наследования признаков, но и вызывает определенное изменен в фенотипе.

Разновидности анеуплоидии: а) трисомия - три гомологичных хромосомы в кариотипе. Так, например, у человека описана трисомия по всем хромосомам набора. Иногда трисомия бывает полной, т. повторены три хромосомы одного номера, а иногда — частично когда повторены две полные, а третья хромосома — частично. Такой случай трисомии встречается особенно часто по крупны хромосомам генома. Это указывает на генетическую неравноценность отдельных хромосом. Возникает частичная трисомия главным образом за счет наличия инверсий или дупликаций геноме. Фенотипически трисомия по каждой хромосоме характеризуется определенным набором симптомов, но всегда это бывают нарушения психомоторного развития с совокупностью множественных пороков; б) моносомия в наборе одна из пары гомологичных хромосом, например, при синдроме Шерешевского-Тернера (моносомия Х). Моносомии по первым крупным парам хромосом являются для человека летальными мутациями; в) нулисомия- отсутствие пары хромосом (летальная мутация).

Анеуплоиды описаны у пшеницы, кукурузы, табака, хлопчатника, мыши, кошки, крупного рогатого скота и у многих других. Как правило, они менее жизнеспособны, имеют меньшую продолжительность жизни, менее плодовиты, чем диплоиды, и часть отличаются от последних морфологическими признаками. Известно, что анеуплоидия у растений менее сказывается на жизнеспособности, чем у животных.

У анеуплоидов образуются как нормальные, гаплоидные гаметы, так и анеуплоидные. При этом у растений в оплодотворении принимает участие только пыльца с нормальным, гаплоидным набором хромосом, а зародышевые мешки функционируют независимо от числа хромосом, поэтому характер расщеплении в потомстве анеуплоидов резко отличается от расщепления у диплоидов. Например, если растение клевера — трисомик по хромосоме, несущей ген красной (А) или белой (а) окраски цвет ков, то при генотипе ААа в случае самоопыления получится расщепление 17:1. Это объясняется тем, что функционирующая пыльца образуется двух сортов — А и а, но пыльцевых зерен с геном А в 2 раза больше, чем с а. Яйцеклетки образуются четырех сортов (А, а, АА, Аа) в следующей пропорции: 1АА:1а:2А:2Аа. По решетке Пеннета легко получить соотношение 17:1.

В настоящее время исследование анеуплоидии у растений приобретает важное значение в связи с выяснением роли каждой хромосомы в генотипе. В будущем это поможет экспериментальному синтезу определенных генотипов. Анеуплоидия играет огромную роль в эволюции генотипа и имеет большое значение для изучения происхождения культурных растений.

38.Хромосомные перестройки. Внутри- и межхромосомные перестройки. Особенности

мейоза при различных типах перестроек.

Хромосомные мутации характер-я изменениями положения участков, размеров и организациями хромосом. В такие перестройки м б вовлечены участки одной хромосомы или разных, негомологичных. Хромосомные перестройки возникают в результате образовавшихся при мутагенном воздействии разрывов хромосом, последующей утраты некоторых фрагментов и воссоединения частей хромосомы в ином порядке по сравнению с нормальной хромосомой. Используют в диагностике наследственных заболеваний.

Среди внутрихромосомных перстроек выделяют: дупликации – удвоение, один из участков хромосомы представлен более одного раза; делеции – или нехватка, утрачен внутренний участок хромосомы, теломера не затронута; инверсии – повороты участка хромосомы на 1800. Инвертированный участок м вкл или не вкл центромеру. Из 4 хромосом образовавшихся в процессе мейоза, в случае парацентрической инверсии у 1 хромосомы отсутствует центромера, др хромосома содержит 2 центромеры, 2 хромосомы отсаются нормальными – их кроссинговер не затронул. В случае перецентрической инверсии 2 хромосомы также остаются незатронутыми, в 3-й – некоторые гены утрачены., в 4-й – дуплицированны. Гетерозиготные по инверсиям организмы часто бывают стерильными, т к часть образующихся гамет не способна к образованию жизнеспособных зигот.

Межхромосомные перестройки –транслокации, при кот участок хромосомы перемещается на другое место негомологичной хромосомы, попадая при этом в другую группу сцепления. Выделяют несколько типов транслокаций: реципрокные – взаимный обмен участками негомологичных хромосом; нереципрокные – участок хромосомы изменяет свое положение или включается в др хромосому без взаимного обмена; децентрические – слияние 2 и более фрагментов негомологичных хромосом, несущих участки с центромерами; центричекие – происходят при слиянии 2 центромеров негомологичных акроцентрических хромосом, с образование 1 мета- или субметацентрической хромосомы.

39.Классификация генных мутаций. Общая характеристика молекулярной природы

возникновения генных мутаций: замена оснований, выпадение или вставка оснований

(нонсенс, миссенс и фрэймшифт типа).

Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть(делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно - клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидныз цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую(вместо глутамина - валин). Казалось бы ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно - клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма. Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятное мутация генов происходит при спаривание тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

Интересно, что значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, "Молчащая мутация"- изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокилотная последовательность белка не меняется.

Типы точковых мутаций

Точковые мутации можно разделить на несколько типов в зависимости от характера молекулярного изменения в гене. Здесь мы кратко опишем четыре типа таких мутаций (Wallace, 1981*)

1. Missense-мутация. К этому типу принадлежит мутация, описанная в предыдущем разделе. В одном из триплетов происходит замена одного основания (например, ЦТТ→ГТТ), в результате чего измененный триплет кодирует аминокислоту, отличную от той, которую кодировал прежний триплет.

2. Мутация со сдвигом рамки. Если в последовательность ДНК включается новое основание или пара оснований, то все лежащие за ними триплеты изменяются, что влечет за собой изменение синтезируемого полипептида. Возьмем, например, последовательность АТТ—ТАГ—ЦГА, перед которой включилось основание Т. В результате получится новая последовательность ТАТ—ТТА—ГЦГ—А… К такому же результату приведёт утрата одного из имеющихся оснований.

3. Nonsense-мутация. В результате замены одного основания возникает новый триплет, представляющий собой терминирующий кодон. В генетическом коде имеется три таких триплета. При такой замене синтез полипептидной цепи прекращается в новой (т. е. другой) точке, и соответственно эта цепь отличается своим свойствам от полипептида, который синтез прежде.

4. Синонимическая missence-мутация. Генетический код обладает значительной избыточностью: два или несколько его триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Поэтому можно ожидать, что в некоторых случаях при замене оснований один триплет заменяется другим — синонимическим, кодирующим ту же аминокислоту. В этом случае, вследствие избыточности кода мы имеем дело с молекулярным изменением в пределах данного гена, которое не вызывает фенотипического эффекта. Такие синонимические мутации, вероятно, довольно обычны.

42.Представление школы Моргана о строении и функции гена. Функциональный и

рекомбинационный критерии аллелизма. Множественный аллелизм.

В 1902 г. У. Сеттон, а впоследствии Т. Морган сопоставили менделевские законы наследственности с закономерностями поведения хромосом и обнаружили параллелизм между характером наследования генов и распределением хромосом в мейозе. На основании этого они сформулировали хромосомную теорию наследственности.

В целом представления школы Т. Х. Моргана можно кратко представить следующим образом:

ген имеет основные свойства хромосом (способность к редупликации, к закономерному распределению в митозе и мейозе),

занимает определенный участок (локус) хромосомы,

является единицей мутации (т. е. изменяется как целое),

единицей рекомбинации (т. е. кроссинговера никогда не наблюдали в пределах гена),

единицей функции (т. е. все мутации одного гена нарушают одну и ту же функцию).

Ген может существовать в двух или нескольких аллельных состояниях. Аллели оказывают различное действие на развитие и фенотипическое выражение признака.

Аллелями называют различные состояния одного гена. Как известно, в результате мутирования ген может находиться более чем в двух различных состояниях (явление множественного аллелизма).

Поэтому при получении серии мутаций с похожим фенотипом для определения того, затронула мутация один и тот же ген или разные, Морган предложил два теста: функциональный и рекомбинационный.

Функциональный критерий основывается на том, что при скрещивании двух мутантов возникает дигетерозигота, имеющая дикий фенотип в силу доминирования нормальных аллелей каждого из генов (мутации комплементарны друг другу). Если скрещиваемые мутанты несут в дигетерозиготе аллельные мутации, то в компаунде дикий тип не появляется, так как оба аллеля одного и того же гена в разных хромосомах имеют мутационные изменения, или, по-другому, мутации не комплементарны. При этом мутации не должны разделяться кроссинговером. (схемка!!!)

Например, при скрещивании двух мутантных норок, белой и пастелевой, все гибриды имеют коричневую окраску, т. е. дикий фенотип. При скрещивании белой норки с другой мутантной формой - платиновой - все гибриды имеют платиновую окраску, т. е. мутантный фенотип. Следовательно, в первом случае наблюдается комплементарность, т.е. неаллельность; а во втором — отсутствие комплементарности, т.е. аллельность.

В основу рекомбинационного теста было положено представление, что только мутации в разных генах способны рекомбинировать между собой. Исследователи школы Моргана считали мутации аллельными, если соблюдались функциональный (гетерозигота - мутантный фенотип) и рекомбинационный, (рекомбинаций нет) критерии. В связи с изменением представлений о структуре гена уточнялись и критерии аллелизма.

Один и тот же ген может изменяться в несколько состояний; иногда таких соетояний бывает несколько десятков и даже сотен. Ген А может мутировать в состояние а1, а2, а3, ... аn. Ряд состояний одного и того же гена называют серией множественных аллелей, а само явление — множественным аллелизмом,

Изучение серий множественных аллелей показало, что любая аллель такой серии может возникать мутационно непосредственно от аллели дикого типа или любого другого члена данной серии, а каждый из членов серии, по-видимому, имеет свою характерную частоту мутирования.

Наследование членов серии множественных аллелей подчиняется менделевским закономерностям. При этом, в отличие от генов, для которых известно только два состояния, сочетание двух разных членов серии множественных аллелей в гетерозиготе называют компаундом.

Серии множественных аллелей обнаружены у крупного рогатого скота, кроликов, мышей, морских свинок, дрозофилы, а также у кукурузы, табака, гороха и др. У человека известна серия аллелей: IA, IB, I0 которая определяет полиморфизм по группам крови:

Существование серии множественных аллелей локуса, определяющего самостерильность у растений, является тем механизмом, который в ряде случаев обеспечивает перекрестное оплодотворение. Так, было показано, что у табака, клевера и других растений на рыльцах прорастает только пыльца, несущая аллель, отличную от аллелей, имеющихся в генотипе рыльца по локусу самостерильности.

Распространенность множественного аллелизма среди животных, растений и микроорганизмов и наличие его у человека могла быть обусловлена тем, что это явление увеличивает резерв мутационной изменчивости, а потому имеет приспособительное значение в эволюции.

77.Особенности человека как объекта генетических исследований. Методы изучения генетики человека: генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, онтогенетический, популяционный.

Система опытов с целью разложения признаков организма на отдельные элементы и изучение соответствующих им генов носит название «генетический анализ». Основной принцип генетического анализа - принцип анализа единичных признаков, согласно которому на первом этапе рассматриваются поколения по каждому признаку отдельно, независимо от других признаков. Задачи генетического анализа: установление гена; изучение его свойств путем изучения его действия на признаки в различных комбинациях с другими генами; установление сцепления гена с другими генами, ранее установленными; определение расположения гена среди других, сцепленных с ним. Объект генетического анализа – физиология гена: структура, воспроизведение, механизм действия и изменчивость.

Гибрид.метод – это анализ хар-ра наследования признаков с помощью системы скрещивания, суть к-ых состоит в получ-й гибридов и анализе их потомков в ряду поколении. Эта схема гибрид.анализа вкл-т: подбор материала для получения гибридов, скрещиваний между собой и анализа след.поколении.

Гибрид. метод Г. Менделя имеет след-ие особенности:

1) анализ нач-ся со скрещивания гомозиготных особей («чистые линии»);

2) анализ-ются отдельные альтернативные (взаимоисключающие) признаки;

3) проводится точный количественный учет потомков с различной комбинацией признаков (исп-ся математические методы);

4) наследование анализируемых признаков прослеживается в ряду поколений.

Мендель также предложил систему записей скрещивания. В наст.время гибрид.анализ яв-ся частью ген.анализа, позволяющего опр-ть хар-р наследования изучаемого признака, выяс-ть локализацию генов.

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

Близнецовый метод - это метод изучения генетических закономерностей на близнецах. Впервые он был предложен Ф. Гальтоном в 1875 г. Близнецовый метод дает возможность определить вклад генетических (наследственных) и средовых факторов (климат, питание, обучение, воспитание и др.) в развитии конкрет ных признаков или заболеваний у человека.

Популяционно-статистический метод - одним из важных направлений в современной генетике является популяционная генетика. Она изучает генетическую структуру популяций, их генофонд, взаимодействие факторов, обусловливающих постоянство и изменение генетической структуры популяций.

Цитогенетический метод - основа метода — микроскопическое изучение хромосом человека. Цитогенетические исследования стали широко использоваться с начала 20-х гг. ХХ в. для изучения морфологии хромосом человека, подсчета хромосом, культивирования лейкоцитов для получения метафазных пластинок.

Биохимический метод - причиной многих врожденных нарушений метаболизма являются различные дефекты ферментов, возникающие вследствие изменяющих их структуру мутаций. Использование современных биохимических методов (электрофореза, хроматографии, спектроскопии и др.) позволяют определять любые метаболиты, специфические для конкретной наследственной болезни.

Мутационный метод - выявление эффекта мутации, оценка мутагенной опасности отдельных факторов и окружающей среды. Поиск неизвестных мутаций и выявление известных мутаций - это разные диагностические задачи. Крупные мутации легче обнаружить. Блоттинг по Саузерну и полимеразная цепная реакция позволяют выявить увеличение числа тринуклеотидных повторов, делеции, вставки и другие перестройки ДНК. Также мутационный метод позволяет выявить любую мутацию, существенно снижающую уровень мРНК.