генетика и биометрия
advertisement
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 1/235 Кафедра генетики и разведения животных имени В.Ф.Красоты УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ГЕНЕТИКА И БИОМЕТРИЯ» ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 360302 «ЗООТЕХНИЯ» Авторы составители УМК Бакай А.В., Бакай Ф.Р., Лепёхина Т.В. Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «28» августа 2014 г., протокол № 1 Москва 2014 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 2/235 Тематический план лекций № п/п 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Тема лекций I семестр Определение предмета, задачи, цели и содержание дисциплины, история развития генетики Цитологические основы наследственности Закономерности наследования признаков при половом размножении Взаимодействие неаллельных генов Хромосомная теория наследственности Генетика пола и сцепленное с полом наследование II семестр Мутации и мутагенез Молекулярные основы наследственности Регуляция действия генов Генетическая инженерия Трансплантация эмбрионов Генетика популяций Иммуногенетика Наследственные аномалии и методы их профилактики Кинофильм «Генетика в животноводстве» ВСЕГО: Кол-во часов 2 2 2 2 2 4 2 4 2 2 2 2 4 2 2 36 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 3/235 Тематический план лабораторных и практических занятий № п/п Тема занятия 1 2 I семестр Построение вариационного ряда Вычисление статистических показателей совокупности 3 4 5 6 7 Определение связи между признаками Определение критериев достоверности Контрольная работа по биометрии Изучение кариотипа сельскохозяйственных животных разных видов Цитологические основы наследственности Кол-во часов 2 4 2 2 2 2 4 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Закономерности наследования признаков при половом размножении Решение генетических задач по моно- и полигибридному скрещиванию Кроссинговер, определение частоты кроссинговера и расстояния между генами Хромосомная теория наследственности II семестр Молекулярные основы наследственности Генетика микроорганизмов Молекулярные основы наследственности Мутационная изменчивость Мутационная изменчивость Генетические основы онтогенеза Группы крови и биохимический полиморфизм Генетика популяций Генетические аномалии у сельскохозяйственных животных Болезни с наследственной предрасположенностью ВСЕГО: 6 8 6 2 6 2 2 2 2 4 2 6 2 4 72 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 4/235 I семестр Занятие № 1 ТЕМА: Биометрические методы анализа качественных и количественных признаков. Построение вариационного ряда Содержание и методика проведения занятия. В основе современной селекции лежит генетический анализ селекционных признаков. Известно, что сельскохозяйственные животные отличаются разнообразием хозяйственно полезных, морфологических и физиологических признаков, но лишь некоторые из них служат объектом практической селекции. Все хозяйственно полезные признаки животных подразделяют на качественные и количественные. К качественным признакам относят пол (мужской и женский), окраску оперения и шерстного покрова (альбинизм, пигментированность, пятнистость и др.), тип шерстного покрова (грубая, тонкая шерсть овец, смушки), рогатость, тип телосложения (конституция грубая, крепкая, рыхлая, нежная, плотная), форму гребня у кур, окраску скорлупы яиц и т. д. Качественные признаки контролируются одним или несколькими генами, на действие которых не влияют ненаследственные факторы. Наследование качественных признаков подчиняется закономерностям, определенным Г. Менделем. Каждой паре качественных признаков соответствует пара аллельных генов, контролирующих развитие данных признаков. Большинство хозяйственно полезных признаков, по которым ведут селекцию животных, относят к количественным, или мерным. Эти признаки получили такое название потому, что они могут быть измерены и выражены в килограммах, сантиметрах, процентах и т. п. К ним относятся удой, живая масса, содержание жира и белка в молоке, толщина шпика, яйценоскость, масса яйца, оплодотворенность яиц, вывод суточного молодняка, эффективность использования корма и др. Развитие каждого Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 5/235 количественного признака обусловлено большим числом пар генов, поэтому изучать процесс наследования таких признаков значительно труднее, чем альтернативных. При изучении количественных признаков приходится сталкиваться с непрерывной изменчивостью, когда переход от одного количественного уровня признака к другому составляет непрерывный ряд величин. Такая изменчивость количественных признаков обусловлена как действием большого числа генов, так и влиянием факторов внешней среды. Приложение методов математической статистики к изучению биологических объектов составляет особую науку – биометрию (от греческого слова «bios» – жизнь, «metron» – мера). Объектом исследования в биометрии является группа особей. Биометрия позволяет лишь математически выразить то, что мы наблюдаем, но не вскрывает причину происхождения явлений. Основная задача биометрии — науки о применении статистических (математических) методов для изучения живых организмов заключается в получении комплекса параметров и коэффициентов, характеризующих членов изучаемой группы по одному или нескольким признакам. В биометрии такой массовый материал называется генеральной совокупностью, которая и составляет цель изучения. Вариационным рядом называется такой ряд чисел, в котором произведена группировка их в классы в зависимости от величины изучаемого признака. Для построения вариационного ряда требуется: 1. Найти минимальное и максимальное значение признака (для этого надо просмотреть весь материал). 2. Найти разность между максимальным и минимальным значением признака. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 6/235 3. Определить величину интервала между классами (обозначается i), то есть величину, на которую отличается значение одного класса от другого; для этого разность между максимальным и минимальным значением признака делят на предполагаемое число классов. Если разность выражается дробным величиной, допускается округление до ближайшего целого числа в большую сторону. 4. Найти границы i класса, прибавляя значение интервала между классами к минимальному значению признака; если минимальная величина (начало i класса) выражается дробной, а не круглой цифрой, для удобства вычисления допускается округление ее в меньшую сторону до ближайшей круглой цифры. Определив границы классов, разнести все варианты p по классам; для удобства работы вариант каждый отмечают в соответствующем классе точками и черточками, например: Пример построения вариационного ряда Для больших выборок, с которыми в основном и приходится работать селекционеру, применяют непрямой способ вычисления средней арифметической. Для этого предварительно строят вариационный ряд, в котором величина варьирующего признака (х) оформляется в виде классов с переходом от минимального значения признака до максимального, а члены совокупности распределяют по классам. Первая величина, которая характеризует изучаемую совокупность, среднее значение признака, приходящееся на один объект (средний вес, средний удой, жирномолочность рассчитывается по формуле: х А i и т.д.). Среднее арифметическое fa , где А – условная средняя; i – n Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 7/235 величина классового промежутка; а - отклонение порядкового номера каждого класса от класса, где находится условная средняя; f – число вариант в классе; n – величина совокупности (общее число членов вариационного ряда). Для вычисления средней арифметической величины по живой массе 100 бройлеров в 6-недельном возрасте составляют вариационный ряд. Для этого необходимо определить величину классового промежутка путем деления разницы между максимальной и минимальной живой массой птицы на число классов (обычно 7-12). Например, минимальная живая масса бройлеров в 6-нед. – 1,30 кг, максимальная – 2,06 кг; lim=xmax-xmin=2,06-1,30=0,76. Распределяем совокупность на 8 классов, тогда i=0,76:8=0,095≈0,10 (округление классового промежутка удобно для разноски данных по классам). Затем проводим группировку (разноску) показателей живой массы бройлеров по классам вариационного ряда, выделяя класс, занимающий условно среднее положение. Таблица 1 – Пример определения средней живой массы бройлеров в 6недельном возрасте (группа из 100 бройлеров) Класс Частота Отклонение Произведение отклонений на частоту х 1,30-1,39 1,40-1,49 1,50-1,59 1,60-1,69 1,70-1,79 1,80-1,89 1,90-1,99 2,00-2,09 f 3 5 17 19 26 22 6 2 n=100 а -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 - fa -12 -15 -34 -19 0 +22 +12 +6 Σfa=-40 Произведение квадрата отклонений на частоту fa2 48 45 68 19 0 22 24 18 Σfa2=244 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 8/235 Условная средняя (А) равна полусумме среднего (модального) класса вариационного ряда, то есть (1,70+1,80):2=1,75. Те классы, которые идут от А в сторону увеличения, ранжируют по порядку со знаком «плюс», а в сторону уменьшения – со знаком «минус». После этого определяют произведение ранговых отклонений каждого класса от среднего на их частоту. Вычисление средней арифметической для данного примера: х Аi fa 40 1,75 0,10 1,75 0,04 1,71 n 100 Средняя арифметическая величина выражается в тех же единицах, что и признак, для которого она вычислена. Занятие № 2 ТЕМА: Вычисление статистических показателей совокупности (X,Sx,Cv,Mo,Mc) Содержание и методика проведения занятия. Биометрические принципы анализа базируются на математической статистике, теории вероятностей и законе больших чисел, которые выявляют закономерности проявления случайных событий на фоне массового материала. Объектом биометрии служит варьирующий признак, учтенный в имеющей достаточную численность группе особей, однородной по ряду других основных признаков. Основными источниками статистической информации в практической работе с животными служат: 1. Данные первичного зоотехнического и ветеринарного учета. Учету подлежит комплекс показателей и признаков, которые по установленной системе записывают в журналах, ведомостях, племенных карточках. Эти записи несут определенную информацию о каждом животном от рождения до выбытия (убой, гибель, браковка, продажа). В нашей стране, как и во Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 9/235 многих странах мира, утверждены специальные формы и сроки учета всего комплекса сведений. 2. Научно-производственные опыты, проводимые на ограниченном числе животных, специальные научные эксперименты в условиях лабораторного содержания животных и изучение их биологических показателей. В этом случае информацию о проводимых экспериментах разного типа вносят в протокольные книги, дневники, ведомости или другие специальные бланки. 3. Данные, получаемые в экспедициях при обследовании больших массивов домашних или диких животных с точки зрения экологии, этологии или по другому поводу. Полученные данные подвергают статистическому анализу и используют при планировании долгосрочных программ развития группы животных животноводческой отрасли. Варьирование любого признака у особей обусловлено многофакторным комплексом, в том числе и случайно действующих факторов, таких, как различия по наследственности, факторам среды, физиологическому состоянию. Составляющие совокупность варианты имеют различные значения изучаемых признаков. Различия эти достигают большой величины или почти незаметны, полной однородности особей внутри группы никогда не наблюдается. Явление несходства (разнообразия) особей в группе называется изменчивостью. Основными статистическими показателями, характеризующими средний уровень варьирующего признака в выборочной (или генеральной) совокупности особей, служат величины средних значений признака. В зависимости от поставленных целей в биологии, в том числе и селекции, используют несколько средних величин: средняя арифметическая (X), Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» средняя геометрическая (G), средняя квадратическая Лист 10/235 (Sx), средняя гармоническая (H), мода (Mо), медиана (Me). Средняя арифметическая (X) — основной параметр, характеризующий совокупность изучаемого признака. Она показывает, какое значение признака наиболее характерно в целом для конкретной совокупности животных. Вычисление средней арифметической, как и большинства других генетико-статистических параметров, имеет некоторые особенности в зависимости от числа животных в выборке. В биологии принято считать выборку малочисленной, если в группе до 30 особей, и многочисленной (или большой), если более 30. Среднюю арифметическую в малочисленных выборках вычисляют прямым способом, который заключается в суммировании всех величин признака у отдельных особей и делении полученной суммы на число особей. Формула имеет следующий вид: х х1 х2 х3 ... хn х n n где х1,х2 и т.д. – значение варьирующего признака у каждого члена совокупности (варианты); n – общее число членов совокупности (объем выборки); Σх – сумма вариант. Среднюю геометрическую (G) применяют для изучения темпа роста, среднего прироста популяции за определенный период, увеличения численности стада и т.д. Ее целесообразно использовать в ассиметричных рядах, то есть при невозможности вычисления х . Вычисление средней геометрической необходимо при планировании интенсивности прироста у животных или продуктивности по годам, то есть при определении темпа изменения признака. Рассчитывают по формуле: значение варианты; n – число членов в выборке. G n x1 x2 x3 xn , где х – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 11/235 Среднюю квадратическую (Sx) используют для определения среднего диаметра эритроцитов, среднего объема клеточного ядра и т. д. Для расчета применяют формулу: S x2 , где х-величины варьирующего признака; nn число наблюдений. Кроме вышеуказанных средних иногда определяют еще моду (Мо) и медиану (Ме). Модой называют варианту, наиболее часто встречающуюся в совокупности. Класс, в котором находится мода, принято называть модальным. Медианой называют варианту, расположенную в середине (центре) вариационного ряда и делящую его на две равные части: с уменьшающимися и увеличивающимися значениями х от медианы. Использование моды и медианы особенно удобно для сопоставления совокупностей по качественным признакам. Следовательно, величина средней квадратической всегда (Sx) больше, а величина средней гармонической (Н) всегда меньше любой другой средней. В нормальном распределении величины х , Мо, Ме совпадают. Неправильно выбранный параметр искажает истинную среднюю величину признака. Показатели изменчивости признаков Содержание и методика проведения занятия. Установление степени разнообразия признака в популяциях имеет важное значение в генетическом анализе популяций и в селекции. Именно величиной изменчивости определяется возможность улучшения путем отбора лучших животных в племенных стадах. В зависимости от величины изменчивости все хозяйственно полезные признаки животных, по которым ведется селекция, подразделяют на признаки с низкой изменчивостью (коэффициент изменчивости находится в пределах 1-15%), средней (16-25%) и высокой Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 12/235 изменчивостью (26% и более). При высокой изменчивости какого-либо признака лучшие и худшие показатели будут существенно отличаться от средней арифметической, что даст возможность для постоянного повышения среднего уровня признака по стаду за счет отбора для воспроизводства лучших особей. В то же время возможность селекции на улучшение признака, характеризующегося низкой изменчивостью, практически исключается. При изучении изменчивости (вариабельности) признака особей данной совокупности применяют следующие параметры: 1. лимит (lim=xmax-xmin); 2. среднее квадратическое отклонение (σ); 3. коэффициент вариации (Cv, %); 4. вариансу (σ2); 5. нормированное отклонение (t). Наиболее простой показатель варьирования признака – величина лимита. Лимиты характеризуют минимальную и максимальную величину изучаемого признака в выборочной совокупности и указывают на амплитуду вариации. Чем больше разность между максимальной и минимальной вариантой, тем значительнее изменчивость признака. Однако эти показатели недостаточны, так как особи с такими показателями часто бывают не характерны для данной популяции. Наиболее часто употребляемыми в практической селекции показателями вариабельности признака являются среднее квадратическое (стандартное) отклонение (σ) и коэффициент изменчивости (Cv). Среднее квадратическое отклонение (σ) позволяет судить о степени разнообразия признака в абсолютных величинах. Чем больше величина σ, тем выше изменчивость. Вся изменчивость признака укладывается от средней арифметической в пределах +3σ, (правило плюс-минус трех сигм), Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 13/235 поэтому средняя арифметическая, уменьшенная и увеличенная на 3σ, дает практически крайние варианты признака. Среднее квадратическое отклонение (σ) в малочисленных выборках вычисляют по формуле: х х n 1 2 где i – величина классового промежутка; f – частоты; a – отклонения от условного среднего класса, выраженные в числе классовых промежутков; n – число вариант в выборке. Наличие в формуле знаков «+» и «-» указывает на то, что величина этого параметра характеризует изменчивость признака особей как в сторону уменьшения вариантов от средней арифметической, так и в сторону их увеличения. Коэффициент вариации (Cv) выражает степень изменчивости признака в процентах от величины средней арифметической. Формула вычисления коэффициента вариации следующая: Cv x Зная 100% средний уровень продуктивности и показатель среднего квадратического отклонения, не составляет труда расчет коэффициента вариации. Модой (Мо) называют варианту, наиболее часто встречающуюся в совокупности. Класс, в котором находится мода, принято называть модальным. Медианой (Me) называют варианту, расположенную в середине (центре) вариационного ряда и делящую его на две равные части: с уменьшающимися и увеличивающимися значениями х от медианы. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 14/235 Занятие № 3 ТЕМА: Показатели связи между признаками (r, rm, R) Содержание и методика проведения занятия. Биометрические методы анализа дают возможность изучить связь между варьирующими признаками, определить ее величину и направление. Применение показателей связи между признаками имеет практическое значение в селекционной работе и прогнозировании эффекта селекции. Отбор сельскохозяйственных животных для воспроизводства осуществляют по ограниченному числу признаков. Большинство признаков и свойств животных находятся в определенной взаимосвязи. Например, существует связь между удоем и содержанием жира в молоке коров, между настригом и густотой шерсти у овец, между живой массой несушек и массой яйца, между длиной киля и мясными качествами у индеек, между устойчивостью и восприимчивостью матерей и дочерей к лейкозу и т. д., поэтому отбор животных по какому-либо одному признаку оказывает косвенное влияние и на другие признаки. Таким образом, при выявлении связей между признаками можно проводить косвенную селекцию. Коэффициент корреляции (r) — основной биометрический показатель, позволяющий определять величину и направление связи между признаками. Он показывает величину связи между двумя, тремя и большим числом признаков. Величина этого коэффициента принимает дробное выражение в пределах от 0 до +1. Чем ближе показатель к единице, тем больше связь между коррелирующими признаками. Корреляция может быть положительной и отрицательной. Если признаки увеличиваются или уменьшаются соответственно друг другу, то корреляция считается положительной. признака другой отрицательная. увеличивается, или Если при уменьшении одного наоборот - корреляция Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 15/235 Как та, так и другая корреляция может быть полной и неполной. При полной корреляции один признак изменяется строго пропорционально другому. При неполной корреляции изменяется непропорционально один другому. По форме корреляция может быть прямолинейной и криволинейной, по направлению — положительной (прямой) и отрицательной (обратной), на что указывает знак «плюс» или «минус». Приняты следующие тесноты связи: r= 0,1 — 0,3 — связь слабая; r=0,3 — 0,5 — умеренная; r=0,5 — 0,7 — заметная; r=0,7 — 0,9 — высокая; r=0,9 — 0,99 — весьма высокая. Чем ближе он по абсолютной величине к 1, тем сильнее связь. Коэффициент корреляции в квадрате (r2) называется коэффициентом детерминации, который показывает долю, процент изменчивости результативного признака под влиянием вариации изучаемого фактора. Связь, наблюдаемая между величинами двух признаков, называется фенотипической корреляцией, а связанная с ней регрессия показывает, в какой степени средняя величина одного признака зависит от другого. Не меньшее значение для селекции имеет определение генетической корреляции между признаками, обусловленной наследственностью. Генетическая корреляция указывает на изменение вторичных признаков при отборе первичных признаков и может быть определена на группах родственных животных (матерей и дочерей, отцов и сыновей, сибсов, полусибсов). Связанная с ней регрессия указывает на то, в какой степени отбор по одному признаку влияет на величину другого признака. Для вычисления коэффициента корреляции существует много рабочих формул (для малых и больших выборок, альтернативных признаков и т. д.), Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 16/235 которые дают одинаковый конечный результат. Поэтому использование той или иной рабочей формулы чаще всего связано с удобствами в вычислениях. Построение корреляционной решетки При построении корреляционной решетки вычерчивают квадрат; на одной стороне его, горизонтально, располагается один вариационный ряд – он обозначается как ряд х, а на другой стороне, вертикально, – другой вариационный ряд, он обозначается как ряд у. При пересечении линий, определяющих границы классов обоих рядов, квадрат разбивается на определенное число мелких квадратов, что и придает ему вид решетки, которая называется корреляционной. Особенность разноски вариантов по классам (по мелким квадратам) в том, что данные по каждому учитываются одновременно по двум изучаемым признакам. Для разноски каждого варианта надо сначала найти соответствующий класс по значению одного признака, затем класс по значению другого признака и в квадрате на месте пересечения этих классов обозначить данный вариант точкой и черточкой так же, как это делалось при разнесении вариантов в обычном вариационном ряду. Если в размещении вариантов по корреляционной решетке более или менее закономерного распределения их по диагонали не наблюдается (варианты разбросаны по всей решетке), это свидетельствует об отсутствии какой-либо корреляционной связи между изучаемыми признаками. Об отсутствии или наличии корреляции и о характере ее (положительная или отрицательная, полная или неполная) можно судить по размещению вариантов в корреляционной решетке. В качестве примера приведем вычисление коэффициента корреляции между скоростью молокоотдачи (кг/мин) и суточным удоем (кг) коров голландской породы. Обработку материала начинают с определения классов и их границ для построения вариационного ряда отдельно для каждого Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 17/235 признака, затем составляют корреляционную решетку. В верхнюю строку решетки вписывают классы суточного удоя (у), по вертикали – скорости молокоотдачи (х). Разносят данные 100 коров в корреляционную решетку одновременно по признакам. Закончив разноску, подсчитывают в ячейках корреляционной решетки частоты (f) и выбирают условные средние классы по скорости молокоотдачи и (Ах=1,5-1,59 кг/мин) и удою (Ау=20-24 кг), отделяя их жирными линиями. В решетке образуется четыре квадранта, которые принято обозначать римскими цифрами: I – левый верхний, II – правый верхний, III – левый нижний, IY – правый нижний. Таблица 2 - Определение взаимосвязи скорости молокоотдачи (х) и суточного удоя (у) коров с помощью корреляционной решетки Удой (у) 1014 1519 20-24 (Ау) 2529 fx ax fxax fxax2 3 1 1 5 3 5 5 10 5 3 31 2 3 12 15 10 4 1 47 2 2 5 3 1 2 2 17 3 5 10 20 30 19 8 3 2 n=100 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 - -12 -15 -20 -20 0 19 16 9 8 Σfxax= =5 48 45 40 20 0 19 32 27 32 Σfxax2= =263 ay fyay -2 -10 -1 -31 0 0 1 17 Σfyay= =-24 fyay2 20 31 0 17 Σfyay2= =68 Молокоотдача (х) 1,1-1,19 1,2-1,29 1,3-1,39 1,4-1,49 1,5-1,59 (Ах) 1,6-1,69 1,7-1,79 1,8-1,89 1,9-1,99 fy Затем записывают ряд условных отклонений ах и ау, находят ряды произведений fxax; fyay; fxax2; fyay2 и их суммы. Для того, чтобы вычислить коэффициент корреляции, необходимо найти значение fa x a y (f – число Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 18/235 особей в одной клетке решетки), которое получают путем умножения частоты f на оба условных отклонения ах и ау, соответствующих каждому классу по признакам х и у. При этом следует помнить, что частоты, ограниченные нулевыми классами, не учитываются. После получения результатов по каждой квадранте, проводят суммирование их с целью получения fa x a y для всей корреляционной решетки. Вычисления: I квадрант II квадрант III квадрант IY квадрант 3ּ(-4)ּ(-2)=24 2ּ(-2)ּ1=-4 1ּ1ּ(-2)=-2 3ּ1ּ1=3 3ּ(-3)ּ(-1)=9 2ּ(-1)ּ(-1)=-5 5ּ1ּ(-1)=-5 1ּ2ּ1=2 3ּ2ּ(-1)=-6 2ּ3ּ1=6 5ּ(-2)ּ(-1)=10 1ּ(-1)ּ(-2)=2 fa x a y =45 2ּ4ּ1=8 fa x a y =-6 fa x a y =-13 fa x a y =19 Общая сумма всех квадрантов: fa x a y =45-6-13+19=45. Для вычисления коэффициента корреляции необходимо определить для каждого вариационного ряда b и σ (сигму вычисляют без учета классового промежутка): bx f yay f x ax 5 24 0,05 ;. b y 0,24 n 100 n 100 f x a x2 f x a x 263 0,05 2 2,63 0,0025 2,6275 1,621 ; n 100 n 2 σx и σy: x y f y a y2 n f yay n 2 68 2 0,24 100 0,68 0,0576 0,6224 0,7889 Подставим полученные данные в формулу вычисления коэффициента корреляции: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» r fa x a y nbx b y n x y Лист 19/235 45 100 0,05 0,24 45 1,2 0,36 . 100 1,621 0,7889 127,88 Следовательно, связь между удоем и скоростью молокоотдачи положительная. ТЕМА: Наследуемость признаков Содержание и методика проведения занятия. Из генетических показателей, служащих в качестве критерия эффективности искусственного отбора в животноводстве и выбора методов селекции, особое место занимает показатель наследуемости. Термин «наследуемость» (heritability) предложил Дж.Л. Лаш в 1939г. Символ наследуемости h2 заимствован из ранних работ С. Райта (1921), который обозначил им «детерминацию признака наследственностью», то есть то, что вслед за Дж.Л. Лашем начали называть наследуемостью. По Дж.Л. Лашу коэффициентом наследуемости называют ту долю фенотипической изменчивости, которая обусловлена генетическими различиями. Коэффициент наследуемости выражается либо в долях единицы (от 0 до 1), либо в процентах. Х.Ф. Кушнер (1964) отмечает, с одной стороны, схематизм этого понятия, поскольку любой признак организма является продуктом совокупного влияния наследственности и условий жизни. С другой стороны, он считает, что практически при тех условиях и возможностях, которые есть, изменчивость у одних признаков больше зависит от факторов среды, а у других – от факторов наследственности. По Д. Фальконеру (1960) наследуемость – это доля аддитивной генетической признака. Он наследуемости. изменчивости исключает в общей фенотипической неаддитивную изменчивость изменчивости из понятия Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 20/235 Принято считать, что при коэффициенте наследуемости, равном 0,4 и более, можно успешно вести отбор по фенотипу, при котором в значительной степени затрагивается генотип и в этом случае от лучших родителей можно ожидать и лучшее потомство (массовая селекция). Массовую селекцию животных проводят по индивидуальным величинам признака. Такую селекцию успешно можно вести по живой массе, содержанию жира в молоке, толщине шпика у свиней, массе яйца, окраске скорлупы, скорости оперяемости у птицы и др. При достижении высокого уровня селекционируемого признака и в связи с уменьшением генетического разнообразия эффективность массовой селекции резко снижается, поэтому необходимо принять такие методы селекции, которые позволили бы использовать эффект комбинированного действия генотипов родительских особей. Это основано на проявлении благоприятного селекционного действия на признак сочетаемости генотипов самцов и самок. По признакам с низким коэффициентом наследуемости (меньше 0,4) проводят так называемую семейную селекцию. При семейной селекции осуществляется оценка и отбор не отдельных индивидуумов, а семей и семейств на основе оценки фенотипа и генотипа особей. Семья – это самец, самка, потомки, сибсы (полные братья и сестры), а семейство – самец, спаривающиеся с ним самки-потомки, сибсы и полусибсы (полубратья и полусестры). Семейную селекцию успешно можно проводить по следующим экономически важным признакам: жизнеспособность молодняка и взрослых особей, удой, многоплодие, половая зрелость, яйценоскость, инстинкт насиживания, форма и плотность яиц, толщина скорлупы и т.д. Для воспроизводства стада отбирают, как правило, особей тех семей и семейств, которые по селекционируемым признакам превышают средние показатели по линии или по породе. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 21/235 Низкие значения коэффициента наследуемости свидетельствуют о малой эффективности селекции даже при самом жестком искусственном отборе. И.М. Лернер и Х.П. Дональд (1970) отмечают, что если генетики указывают на низкую наследуемость данного признака, то бесполезно тратить время на отбор с целью усиления или ослабления этого признака, пока не будет найден способ увеличения его генетической изменчивости. В последние годы в промышленном животноводстве наиболее часто применяют комбинированную селекцию – сочетание индивидуальной и семейной селекции. При комбинированном отборе для дальнейшего воспроизводства стада отбирают лучших особей из лучших семей. Все селекционируемые признаки в зависимости от величины коэффициента наследуемости подразделяют на: низконаследуемые (h2=0,05-0,25); средненаследуемые (h2=0,26-0,59); высоконаследуемые (h2=0,6 и более). Наиболее распространенным методом определения коэффициента наследуемости является способ вычисления его путем удвоения коэффициента корреляции между показателями одного и того же признака родителей и потомства (h2=2r). Если продуктивность учитывают у особей одного пола, например, удой, яйценоскость, то h2 выражается удвоением корреляции между продуктивностью матерей и дочерей (h2=2rМД). По мнению С.А. Рузского (1977), М.В. Орлова и Э.К. Силина (1981) использование данного метода приводит к завышению h2, а иногда и к явно ошибочным результатам, когда h2 выше единицы. Поэтому С.А. Рузский предложил за h2 брать коэффициент корреляции между родителями и потомками без его удвоения h2=rМД. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Определить коэффициент наследуемости можно Лист 22/235 также путем удвоения коэффициента регрессии между показателями признака родителей и потомства (h2=2R «потомство-родители»). Если же h2 вычисляют по регрессии «мать-дочь» в пределах потомства одного производителя, то это выражает аддитивную долю наследуемости, причем коэффициент регрессии A2 будет равен: R 0,5 2 p Таблица 3 - Коэффициенты наследуемости некоторых признаков у сельскохозяйственных животных разных видов (по обобщенным данным) Среднее значение Крупный рогатый скот Удой за лактацию 0,28 Содержание жира в молоке 0,50 Содержание белка в молоке 0,55 Живая масса при рождении 0,35 Живая масса в 12-18 мес. 0,53 Убойный выход 0,48 Скорость молокоотдачи 0,30 0,16 Плодовитость Признак Пределы колебаний 0,04-0,67 0,18-0,88 0,40-0,75 0,11-0,53 0,32-0,90 0,25-0,73 0,15-0,45 0,10-0,22 Свиньи Живая масса Среднесуточный прирост Длина туловища Площадь «мышечного глазка» Число сосков Многоплодие Крупноплодность Молочность Скороспелость 0,12 0,35 0,50 0,37 0,31 0,04 0,15 0,27 0,22 0,44 Толщина шпика 0,02-0,56 0,13-0,77 0,20-0,86 0,19-0,65 0,11-0,60 0,01-0,34 0,11-0,23 0,12-0,61 0,04-0,39 0,25-0,84 Овцы Живая масса Длина шерсти Густота шерсти Диаметр волокна Выход мытой шерсти Многоплодие 0,40 0,52 0,50 0,35 0,45 0,12 0,25-0,55 0,25-0,78 0,40-0,66 0,20-0,52 0,30-0,70 0,10-0,15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Куры Живая масса в 7-8-недельном возрасте Живая масса во взрослом состоянии Яйценоскость Масса яйца Оплодотворенность яиц Выводимость яиц Сохранность молодняка Сохранность взрослой птицы Плотность яиц Толщина скорлупы Крепость скорлупы Цвет скорлупы Индекс формы яиц Индекс белка Индекс желтка Половая зрелость Оперяемость цыплят Ширина груди Угол груди Длина киля Объем эякулята Концентрация спермы Потребление корма Содержание жира в тушке Потеря пера в 6-10 нед. Интенсивность обмена веществ Индейки Живая масса Яйценоскость Масса яиц Выводимость яиц Объем эякулята Активность спермиев Концентрация спермы Количество аномальных спермиев Утки Живая масса в 4-7-21-недельном возрасте Живая масса в суточном возрасте Яйценоскость Масса яиц Убойный выход Масса потрошеной тушки Масса мышц Гуси Живая масса Лист 23/235 0,35 0,50 0,30 0,56 0,10 0,12 0,10 0,10 0,40 0,31 0,44 0,58 0,33 0,40 0,55 0,25 0,28 0,25 0,41 0,33 0,50 0,44 0,70 0,65 0,35 0,38 0,16-0,77 0,30-0,64 0,05-0,80 0,31-0,81 0,01-0,31 0,03-0,20 0,03-0,16 0,01-0,13 0,32-0,56 0,10-0,58 0,32-0,56 0,35-0,80 0,10-0,74 0,26-0,60 0,45-0,60 0,10-0,56 0,16-0,60 0,21-0,30 0,20-0,68 0,28-0,38 0,34-0,67 0,37-0,50 0,60-0,89 0,48-0,83 0,22-0,54 0,16-0,76 0,45 0,25 0,60 0,15 0,43 0,32 0,70 0,33-0,50 0,16-0,40 0,55-0,91 0,12-0,18 0,41-0,45 0,29-0,35 0,68-0,71 0,07-0,42 0,25 0,45 0,60 0,35 0,55 0,59 0,78 0,60 0,30-0,65 0,55-0,80 0,29-0,53 0,52-0,59 0,50-0,68 0,67-0,89 0,50-0,88 0,50 0,45-0,55 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Масса печени Половая зрелость Яйценоскость Оплодотворенность яиц Выводимость яиц Лист 24/235 0,63 0,32 0,30 0,14 0,23 0,55-0,72 0,20-0,47 0,28-0,40 0,12-0,16 0,19-0,25 0,35 0,20 0,10 0,10 0,30 0,58 0,20-0,41 0,10-0,23 0,04-0,13 0,07-0,15 0,18-0,42 0,56-0,63 Перепела Живая масса Интенсивность яйценоскости Оплодотворенность яиц Выводимость яиц Оплата корма Потребление корма Из приведенных данных видно, что коэффициенты наследуемости основных селекционируемых признаков у животных варьируют в довольно больших пределах – от 0,01 до 0,91. Такие значительные расхождения в величине показателей наследуемости могут быть обусловлены следующими причинами: генетическим разнообразием популяции; степенью ее гетерозиготности; уровнем кормления и содержания изучаемых линий и пород; природой признака; использованием разных методов расчета коэффициента наследуемости. В последние годы все более широкое применение при решении ряда генетических вопросов, в том числе и для определения коэффициента наследуемости, получил дисперсионный анализ, разработанный Р. Фишером. Дисперсионный анализ позволяет установить, какая доля фенотипической изменчивости обусловлена наследственностью и какова доля влияния внешних факторов. Другими словами данный анализ позволяет расчленить фенотипическую изменчивость на ее составляющие и определить долю влияния генетических факторов. При проведении дисперсионного анализа показатели варьирующего признака у особей записывают в виде таблицы дисперсионного (статистического) комплекса. В таблице обозначают классы (градации) по каждому учитываемому фактору. Дисперсионные комплексы по своей структуре могут быть одно-, двух- и многофакторные при большом и малом Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 25/235 числе наблюдений, для количественных и качественных признаков. Различают равномерные, пропорциональные и неравномерные комплексы. В селекционной практике чаще всего используют иерархические комплексы, в которых градации одного фактора сопряжены с градациями другого фактора, образуя единую взаимообусловленную последовательность. Примером градаций в иерархическом комплексе может явиться связь между особями в родословной «отец – мать – потомство». В современных условиях селекционно-племенной работы в животноводстве расчеты коэффициента наследуемости (как и некоторых других генетических величин) с использованием методов дисперсионного анализа проводят при помощи компьютерной техники по специальным программам. Поэтому нет надобности останавливаться на всех методах дисперсионного анализа, применяемых при определении коэффициента наследуемости. Ограничимся примером расчета h2 при помощи однофакторного дисперсионного комплекса. Более подробно об использовании методов дисперсионного анализа при расчете коэффициента наследуемости изложено в специальных изданиях по биометрии. Несмотря на значимость коэффициента наследуемости для теории и практики селекции, следует всегда помнить, что каким бы способом ни вычислялся коэффициент наследуемости, за исходную величину корреляции «родители-потомки» принимается величина +0,5, что в среднем справедливо для свободно спаривающейся популяции и неприемлемо для стад, где ведется более углубленная селекция. Кроме того, h2 определяет не всю долю генетической изменчивости, а только ту ее часть, которая обусловлена аддитивным действием наследственных факторов. Она не отражает такой формы наследования, как сверхдоминирование, лежащее в основе гетерозиса, а также индивидуальных генетических особенностей животных и отдельных Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 26/235 генеалогических групп, действия генеалогической сочетаемости при подборе производителей и различную «силу» наследственной передачи (препотенцию) отдельных особей. Иногда показатели h2 выходят за пределы допустимого, то есть они меньше 0 или больше 1. Поэтому при практическом использовании коэффициента наследуемости в селекции необходимо вычислять его для каждого конкретного стада и не следует сопоставлять его величину с показателями, полученными в разных стадах и условиях. Типы статистических ошибок В практической селекционной работе основные параметры совокупности ( x , σ, Cv, r) вычисляют зачастую не по генеральной совокупности, а по выборочной, поэтому генетико-статистические параметры для выборки могут несколько отличаться от тех их значений, которые были бы получены для генеральной совокупности. Для устранения неточностей между параметрами генеральной и выборочной совокупностей вводятся поправки на эти параметры в виде статистических ошибок. Размер статистической ошибки зависит от изменчивости признака и размеров выборки. Чем больше объем выборки и меньше изменчивость, тем меньше статистическая ошибка. Поэтому в структуру формул статистических ошибок включают показатель изменчивости признака и объем выборки. Для того, чтобы уменьшить статистическую ошибку, необходимо увеличить число членов совокупности. Существуют методы, позволяющие еще до начала эксперимента или сбора массового материала определить требуемую достоверных численность величин выборки параметра, (n) для получения статистически который правильно характеризует генеральную совокупность. В зоотехнической и ветеринарной литературе статистическую ошибку принято обозначать буквой m с подстрочным значком того параметра, для которого она вычисляется. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Формулы статистических ошибок для Лист 27/235 основных генетико- статистических параметров приведены в таблице 3. Таблица 3 - Формулы статистических ошибок Наименование статистического параметра Условное обозначение Формула для вычисления статистической ошибки mx Ошибки средних mx n (если n≥30); mx n 1 Ошибка среднего квадратического отклонения mσ m Ошибка коэффициента изменчивости mC v mCv (если n<30) 2n Cv 2n 1 r2 (если n<100); n2 1 r2 mr (если n≥100) n 1 mr Ошибки коэффициента корреляции mr Ошибка коэффициента регрессии mb2. Ошибка квадрата корреляционного соотношения 1 1 2 m 2 mD Ошибки разности между средними 2 1 r2 1 n 2 m 1 2 1 , где 2 mb2. D x1 x2 Ошибка разности (σ1-σ2) m D Доли величин mp и mq ν1 (число степеней свободы)=l-1; ν2=n-l (где l – число классов) mD mx21 mx22 ; для коррелированных выборок mD mx21 mx22 2r m1 m2 m D 12 2n1 m p mq 22 2n 2 pq n Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 28/235 Занятие № 4 ТЕМА: Определение критерия достоверности и соответствия Содержание и методика проведения занятия. При обработке селекционных данных методами вариационной статистики наблюдаются статистические ошибки (т), позволяющие нивелировать разницу между параметрами генеральной и выборочной совокупностей. Использование статистических ошибок позволяет определить, насколько точно величина выборочной совокупности отражает величину параметра генеральной совокупности, то есть установить статистическую достоверность, или критерии достоверности выборочных параметров (t), а также доверительные границы их варьирования. Достоверность выборочных показателей определяется отношением выборочного показателя к его средней ошибке по формулам, приведенным в таблице 4. Таблица 4 – Формулы критериев достоверности выборочных показателей Наименование статистического параметра Достоверность средней арифметической Достоверность разности средними двух групп между Условные обозначения tx td Достоверность отклонения квадратического Достоверность изменчивости коэффициента t Cv Достоверность корреляции коэффициента tr t Формула определения критерия достоверности x tx mx x1 x 2 td t m m 2 x1 2 x2 D mD m t Cv tr r Cv mC v n2 1 r2 Величина критерия достоверности тесно связана с величиной вероятности (P). В биологии используют три уровня вероятности (0,95, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 29/235 0,99, 0,999), которым соответствуют три уровня значимости (P1=0,05; P2=0,01; P3=0,001). Уровень значимости характеризует вероятность получения случайного отклонения от установленных с определенной вероятностью результатов. Уровень вероятности показывает, достоверно ли отражает вычисленный выборочный параметр генеральную совокупность по данному показателю. Так, уровень значимости 0,05 означает, что в силу случайности ошибка будет в 5 % случаев. Уровень вероятности 0,95 указывает на то, что из 100 повторений в 95 будут получены ожидаемые результаты. Критерий достоверности зависит от числа наблюдений в выборке. Для устранения влияния числа наблюдений на величину критерия достоверности с учетом числа степеней свободы (ν) для трех уровней вероятности используют таблицу Стьюдента. Число степеней свободы – это число наблюдений, уменьшенное на число ограничений (n-1, n1+n2-2 и т.п.). Таблица Стьюдента пригодна при определении критерия достоверности для средних арифметических, достоверности разности, коэффициентов корреляции. Для оценки достоверности выводов дисперсионного анализа вычисляют показатель критерия достоверности влияния по Фишеру (F): Fфакт x2 2 z Критерий F указывает на влияние изучаемых факторов на общую изменчивость признака. Затем величину F факт, полученную по конкретным материалам, сравнивают с критерием F табл. Если P факт>P табл, то можно сделать вывод, что воздействующий фактор достоверно влияет на изменчивость признака с учетом степеней свободы v1 и v2 на одном из трех уровней вероятности (0,95; 0,99; 0,999) и нулевая гипотеза отсутствует. Критерий Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 30/235 достоверности (FD) показывает достоверность разности между величиной признака у потомства каждого производителя по сравнению со средним его значением по линии или по отношению к потомству другого производителя. Критерий достоверности позволяет определить так называемые границы доверительного интервала. Он указывает, в каких границах будет находиться параметр генеральной совокупности при данной величине статистической ошибки т на уровнях t. Доверительные границы определяют по формуле: xгенер xвыб t mx Таким образом, любой выборочный статистический параметр должен оцениваться не только его статистической ошибкой, но и критерием достоверности, взятым на том или ином уровне вероятности. Если параметр имеет критерий достоверности меньше, чем 1,96 (то есть Р= 0,95), то он не может правильно отражать его величину для генеральной совокупности. Поэтому показатели, полученные при такой обработке, не могут быть распространены на генеральную совокупность, а выводы из недостоверных величин параметров не имеют научной и практической ценности. Занятие № 6 ТЕМА: Изучение кариотипа сельскохозяйственных животных разных видов Термин «хромосома» был предложен в 1888 г. немецким морфологом В. Вальдейером, который применил его для обозначения внутриядерных структур эукариотической клетки, хорошо окрашивающихся основными красителями (от греч. хрома — цвет, краска и сома — тело). Хромосомы представляют собой нитевидные нуклеопротеидные структуры, способные к саморепродукции и сохранению своих морфологических особенностей на протяжении ряда поколений. Они удваиваются в результате идентичной репродукции перед каждым клеточным делением, а затем распределяются поровну между дочерними клетками. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 31/235 Хромосомы состоят из хроматина (рис., слайд), который содержит ДНК (40 %), гистоны (40 %), негистоновые хромосомные белки (20 %) и небольшое количество РНК. Морфологическое строение хромосом наиболее четко выражено в стадии метафазы. В этот период хромосома состоит из двух нитей — хроматид, интенсивно окрашивающихся основными красителями. В определении формы хромосом большое значение имеет положение ее обязательного структурного элемента — первичной перетяжки, в районе которой расположена центромера. Центромера делит хромосому на две части (называемые плечами) равной или различной длины. В зависимости от ее положения различают следующие типы хромосом (рис.): Рис.2 – Морфологическое строение хромосом разного типа метацентрические — центромера расположена в середине хромосомы и делит ее на два равных плеча; субметацентрические — центромера делит хромосому на два плеча разной длины. акроцентрические — центромера расположена очень близко к одному из концов хромосомы; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 32/235 телоцентрические — центромера расположена на самом конце хромосомы. Такие хромосомы имеют только одно плечо. При описании хромосом короткое плечо обозначают буквой р, а длинное буквой q. К морфологической характеристике относят также наличие у хромосом вторичных перетяжек, соответствующих зонам ядрышковых организаторов. Иногда хромосомы можно идентифицировать по ряду дополнительных признаков. Очень часто таким признаком оказывается находящееся на одном из концов хромосомы небольшое округлое тельце, так называемый спутник (или сателлит), соединяющийся с основной хромосомой тонкой хроматиновой нитью или вторичной перетяжкой. Объективным критерием для отнесения хромосом к той или иной группе служит центромерный индекс — отношение длины короткого плеча к длине хромосомы в процентах. К акроцентрическим хромосомам принято относить хромосомы с центромерным индексом менее 12,5 %, к субметацентрическим — в интервале от 12,6 до 37, к метацентрическим — от 37,1 до 50%. Для различные идентификации методы их индивидуальных дифференциальной хромосом окраски. При используют описании дифференциальной окраски хромосом принято делить плечи на зоны (блоки) и полосы. Деление на зоны основано на наличии в плече регулярно воспроизводимых при дифференциальной окраске структур, не зависящих от степени спирализации. Как правило, границу зон проводят в районе крупных положительно или негативно окрашенных полос. При этом существует дополнительное условие — границы проводят так, чтобы зоны не слишком различались по размерам. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 33/235 Помимо перечисленных характеристик при кариотипировании важен еще один показатель — относительная длина хромосом, то есть отношение длины хромосомы к длине гаплоидного набора, включающего Х-хромосому. Он необходим для построения кариограммы и идиограммы. Кариограмма — фотографии хромосом индивидуума, систематизированные по группам в зависимости от морфологического строения. Построение кариограммы принято начинать с метацентрических или субметацентрических аутосом, располагая хромосомы в порядке убывания относительно размера. При этом хромосомы сходной морфологии объединяют в группы. Порядок расположения хромосом в группах тот же — от большего к меньшему. Чередование групп зависит от центромерного индекса. В последнюю группу всегда входят хромосомы с минимальным центромерным индексом. Если в кариотипе есть акроцентрические хромосомы, кроме половых, то последнюю пару образуют самые мелкие из них. Половые хромосомы, независимо от размеров и формы, выделяют в отдельную группу. При отсутствии в кариотипе двуплечих хромосом построение кариограммы начинают с самой крупной аутосомы. Нумерацию хромосом начинают с первой пары и заканчивают последней, без учета деления на группы. Идиограмма — графическое изображение хромосом с учетом их морфологических деталей: длины, расположения центромеры, вторичных перетяжек и при дифференциальной окраске расположения положительно и негативно окрашенных полос. Идиограмма может быть построена по обобщенным данным или для конкретного кариотипа. Число хромосом в ядрах клеток всех особей одного вида постоянно и представляет собой один из его признаков. Все клетки любого организма происходят от зиготы — клетки, образующейся в результате слияния двух гамет (половых клеток, имеющих Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 34/235 одинарный, или гаплоидный, набор хромосом — п). Зигота содержит двойной (диплоидный) набор хромосом (2л). Одинарный набор хромосом называют геномом. Среди всех хромосом кариотипа различают аутосомы — пары хромосом, одинаковые для мужских и женских особей, и одну пару хромосом — половые, различающиеся у мужских и женских особей. Набор хромосом соматической клетки, свойственный тому или иному виду животных или растений, называют кариотипом. Он включает все особенности хромосомного комплекса: число хромосом, их форму, наличие видимых под световым микроскопом деталей строения отдельных хромосом. Таблица 5 – Число хромосом у человека и некоторых видов животных Человек 46 Овца 54 Зебу 60 Свинья 38 Буйвол 56 Собака 78 Крупный рогатый скот 60 Кошка 38 Як 60 Кролик 44 Лошадь домашняя 64 Курица 78 Осел 62 Норка 30-32 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 35/235 Занятие № 7 ТЕМА: Цитологические основы наследственности Большое количество фундаментальных открытий и идей заложили основы современного учения о жизни. Основной формой существования жизни является клетка. Так, еще в 1858 г. немецкий патолог Р. Вирхов, опираясь на клеточную теорию, созданную в 1839 г. немецким зоологом Т. Шванном широко использовавшим работы немецкого ботаника М. Шлейдена, обосновал тезис, что всякая клетка происходит только от клетки. Р. Вирхов писал: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне неё». Клеточная теория в современном виде включает три главных положения. Первое положение соотносит клетку с живой природой планеты в целом. Оно утверждает, что жизнь, какие бы сложные или простые (например, вирусы) формы она ни принимала, в ее структурном, функциональном и генетическом отношении обеспечивается в конечном итоге только клеткой. Выдающаяся роль клетки как первоисточника жизни обусловливается тем, что именно она является биологической единицей, с помощью которой происходит извлечение из внешней среды, с помощью которой происходит извлечение из внешней среды, превращение и использование организмами энергии и веществ. Непосредственно в клетке сохраняется и используется биологическая информация. Второе положение указывает, что в настоящих условиях единственным способом возникновения новых клеток является деление предсуществующих клеток. Именно это положение использовали Т. Шванн и М. Шлейден для обоснования представления о гомологии разных типов клеток. Современная биология расширила круг доказательств этому. Независимо от индивидуальных структурно- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 36/235 функциональных особенностей все клетки одинаковым образом: а) хранят биологическую информацию, б) редуплицируют генетический материал с целью его передачи в ряду поколений, в) используют информацию для осуществления своих функций на основе синтеза белка, г) хранят и переносят энергию, д) превращает энергию в работу, е) регулируют обмен веществ. Третье положение клеточной теории соотносит клетку с многоклеточными организмами, для которых характерен принцип целостности и системной организации. Для системы свойственно наличие новых качеств благодаря взаимному влиянию и взаимодействию единиц, составляющих эту систему. Структурнофункциональными единицами многоклеточных существ являются клетки. Вместе с тем многоклеточный организм характеризуется рядом особых свойств, которые нельзя свести к свойствам и качествам отдельных клеток. В 1892 г. Д.И. Ивановский открыл существование вирусов. Вирусы – это неклеточные формы живого, они состоят из нуклеиновых кислот и белков. Однако существование неклеточных форм жизни не нарушают принципов клеточной теории, поскольку частицы вируса могут проявлять свои свойства живого только в системе клетки, где одна исходная частица превращается в сотни дочерних частиц, в которых воспроизводятся все детали молекулярного строения исходной частицы. Такой процесс размножения получил название ауторепродукции. Принципы этого явления теоретически были обоснованы в 1928 г. Н.К. Кольцовым. Среди живых организмов встречаются два типа организации клеток: прокариоты (буквально «предъядерные», к ним относятся бактерии и синезеленые водоросли) и эукариоты (буквально «обладающие настоящим Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 37/235 ядром», к ним относятся все одно- и многоклеточные организмы – растения, грибы и животные). Строение клетки Прокариотические клетки. Прокариотическая клетка покрыта цитоплазматической мембраной (от лат. membrana – кожица – тонкая пограничная структура, расположенная на поверхности клеток и внутриклеточных структур), играющей роль активного барьера между цитоплазмой клетки и внешней средой. Снаружи от мембраны расположена клеточная стенка. Этим клеткам свойственны малые размеры (не более 0,5 – 3,0 мкм в диаметре или по длине). Вместо клеточного ядра у них имеется его эквивалент, который называется нуклеотид, лишенный оболочки и состоящий из одной-единственной молекулы ДНК в виде кольцевой хромосомы, которая лишена основных белков – гистонов (гистоны являются белками клеточных ядер). Кроме того бактерии могут содержать ДНК в форме крошечных плазмид. Плазмиды это находящиеся вне генома, очень короткие двойные спирали ДНК, замкнутые в кольцо (длиной от нескольких тысяч до 100 000 пар оснований) с одним или несколькими генами, а иногда и совсем без генов. Они реплицируются независимо от остального генетического материала и часто переходят из одной клетки в другую. Некоторые бактериальные плазмиды могут включаться в геном и снова отделяться от него. В основном веществе цитоплазмы прокариотических клеток располагаются многочисленные рибосомы, но у них нет митохондрий и некоторых других органелл, характерных для цитоплазмы высших (эукариотических) клеток. Бактерии размножаются путем простого деления. Находящаяся в ядерной области ДНК прикреплена к мезосоме – структуре, образуемой цитоплазматической мембраной. Деление бактериальной клетки начинается с деления мезосомы; затем две половинки мезосомы расходятся, увлекая за Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 38/235 собой ДНК, последняя также делится на две части, из которых впоследствии образуются ядерные области двух дочерних клеток. Эукариотические клетки. Клетка эукариот организована сложнее, чем прокариотическая (рис. 1). Она покрыта цитоплазматической мембраной, которая играет важную роль в регулировании состава клеточного содержимого, так как через нее проникают все питательные вещества и продукты секреции. Каждая клетка содержит небольшое шаровидное или овальное тельце, называемое ядром. Ядро служит важным регулирующим центром клетки; определяющие оно признаки содержит данного наследственные организма, и факторы управляет (гены), многими внутриклеточными процессами. В пользу этого указывают результаты различных экспериментов. Если из оплодотворенного яйца лягушки удалить ядро (что сделать не трудно) и заменить его ядром, взятым из клетки кишечника лягушки другого вида, то из такого яйца вылупится головастик, а впоследствии разовьется лягушка с признаками того вида, которому принадлежит пересаженное ядро. Цитоплазма, принадлежащего первому виду, не играет заметной роли на развитие признаков лягушки. Можно также удалить ядро у амебы вместе с небольшим кусочком примыкающей к нему цитоплазмы. Остальная цитоплазма при этом не повреждается, и процессы метаболизма могут продолжаться в ней в течение нескольких дней, а иногда и недель. Однако рано или поздно такая клетка погибнет. Таким образом, клетка без ядра – это клетка, которой остается недолго жить и которая не даст потомства. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 39/235 Рис.2 – Схема строения эукариотической клетки (клетки млекопитающего) Оболочка, окружающая ядро и отделяющая его от цитоплазмы, — ядерная мембрана — регулирует движение веществ из ядра и в ядро. В полужидком основном веществе ядра — ядерном соке (кариоплазме) — размещается строго определенное число вытянутых нитевидных образований, называемых хромосомами. На окрашенном срезе неделящейся клетки хромосомы обычно имеют вид неправильной сети из темных тяжей и зернышек, называемых хроматином. В ядре находятся сферические тельца (одно или несколько), называемые ядрышками. Ядрышки, по-видимому, участвуют в синтезе рибонуклеиновых кислот. Материал, находящийся внутри плазматической мембраны, но вне ядра, называется цитоплазмой. При исследовании тонкого среза клетки под электронным микроскопом видно, что цитоплазма представляет собой чрезвычайно сложный лабиринт мембран, образующих так называемую Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 40/235 эндоплазматическую сеть, заполняющую большую часть цитоплазмы. Существует два типа эндоплазматической сети: гранулярная, к мембранам которой прикреплено множество рибосом — мелких рибонуклеопротеидных частиц, служащих местом синтеза белка, и агранулярная, состоящая из одних только мембран. В одной и той же клетке может встречаться сеть того и другого типа. структуры В цитоплазме (митохондрии, находятся аппарат другие Гольджи, специализированные центриоли, пластиды), выполняющие специфические функции. Все живые клетки содержат митохондрии — тельца величиной 0,2— 5 мкм, форма которых варьирует от сферической до палочковидной и нитевидной. В одной клетке может быть от нескольких митохондрий до тысячи и более. Обычно они сосредоточены в той части клетки, где обмен веществ наиболее интенсивен. Митохондрии, главная функция которых состоит в выработке энергии, образно называют электростанциями клеток. Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной: наружная мембрана образует гладкую поверхность митохондрии; внутренняя мембрана представляет собой многочисленные складки (кристы) в виде параллельных, направленных к центру митохондрии выступов, которые могут встречаться, а иногда и сливаться со складками, отходящими от противоположной стороны. Кристы содержат ферменты, участвующие в системе переноса электронов, которая играет важнейшую роль в превращении энергии питательных веществ в биологически полезную энергию, необходимую для существования клетки. Полужидкое внутреннее содержимое митохондрии — матрикс — содержит ферменты. В клетках животных и некоторых низших растений около ядра расположены два небольших тельца — центриоли, которые играют важную роль в клеточном делении: в начале деления они отходят друг от друга, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 41/235 направляясь к противоположным полюсам клетки, и между ними образуется так называемое веретено деления. В клетках большинства растений имеются пластиды — формирования, в которых происходит синтез или накопление органических веществ. Аппарат Гольджи — компонент цитоплазмы, встречающийся почти во всех клетках, кроме зрелых спермиев и красных кровяных телец, — представляет собой неупорядоченную сеть канальцев, выстланных мембранами. Обычно он расположен около ядра и окружает центриоли. Функция аппарата еще не достаточно ясна, но, по мнению некоторых цитологов, аппарат Гольджи служит местом временного хранения веществ, вырабатываемых в гранулярной эндоплазматической сети, а канальцы аппарата соединены с плазматической мембраной. Лизосомы — группа внутриклеточных органелл, встречающихся в клетках животных, — сходны по величине с митохондриями, но несколько менее плотные. Они представляют собой ограниченные мембраной тельца, которые содержат разнообразные ферменты, способные гидролизовать макромолекулярные компоненты клетки. В случае проникновения в клетку чужеродной ДНК (например, вируса) лизосомы выделяют в цитоплазму ферменты, расщепляющие ДНК, — нуклеазы, и тем самым выполняют защитную функцию. Кроме перечисленных элементов цитоплазма может содержать вакуоли — полости, заполненные жидкостью и отделенные от остальной цитоплазмы вакуолярной мембраной. Вакуоли весьма обычны в клетках растений и низших животных, но редко встречаются в клетках высших животных. Важнейшая составная часть клетки — ядро. В период между делениями ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой и чаще всего имеет шаровидную Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 42/235 или эллиптическую форму. Полость ядра заполнена кариоплазмой (ядерным соком), вязкость которой отличается от вязкости цитоплазмы. Ядро не обладает способностью восстанавливать ядерную оболочку, поэтому при ее повреждении содержимое ядра смешивается с цитоплазмой. Ядрышки, заключенные в ядре, характеризуются высоким коэффициентом преломления. Более крупные и плотные ядрышки характерны для клеток, отличающихся высокой активностью, а именно для интенсивно делящихся эмбриональных клеток и для клеток, осуществляющих синтез белка. В процессе клеточного деления ядрышки исчезают, а затем вновь появляются. В ядрышках синтезируется рибосомальная РНК, из которой формируются частицы рибосом. Хромосомы, находящиеся в ядре, обеспечивают передачу наследственной информации при половом размножении от поколения к поколению или в онтогенезе от клетки к клетке. Передача наследственной информации в процессе размножения клеток и при оплодотворении МИТОЗ Митоз (от греч. mitos — нить) представляет собой способ упорядоченного деления клетки, при котором каждая из двух дочерних клеток получает такое же число и те же типы хромосом, какие имела материнская клетка. Если в дочерней клетке в результате нарушения процесса клеточного деления оказалось больше или меньше хромосом, чем было в материнской клетке, то это приводит к заметным отклонениям от нормы, а иногда даже к гибели клетки. Промежуток времени между окончанием одного клеточного деления и окончанием последующего называют митотическим циклом, который подразделяют на митоз и интерфазу. Интерфаза включает три периода. В первом периоде интерфазы — пресинтетическом, идущем вслед за митозом Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 43/235 (Gi — от англ.gar— интервал, промежуток), осуществляется синтез белков и РНК. Затем следует период синтеза ДНК (S— от англ. synthesis — синтез), в течение которого количество ДНК в ядре клетки удваивается. В постсинтетическом периоде (G2) происходит синтез РНК и белков (в особенности ядерных) и накапливается энергия для следующего митоза. По окончании интерфазы наступает непосредственно митоз — непрямое деление ядра. Митотическое деление представляет собой непрерывный процесс, каждая стадия которого незаметно переходит из одной в другую. Для удобства описания принято подразделять митоз на четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис.3). Рис. 3 – Стадии митоза. Дупликация хромосомного материала происходит в интерфазе, предшествующей началу профазы Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 44/235 В первой стадии митоза — профазе — происходит формирование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, спирально закрученных друг относительно друга. В ходе профазы хроматиды укорачиваются и утолщаются спирализации. Начинает в результате выявляться слабо процесса внутренней окрашенная и менее конденсированная область хромосомы — центромера, которая и каждой хромосоме расположена в определенном месте. Ядрышки постепенно уменьшаются в размерах, пока совсем не диспергируются. Ядерная оболочка также распадается, и хромосомы оказываются в цитоплазме. В это время центросома делится на дочерние центриоли, которые расходятся в противоположные концы клетки. От каждой центриоли отходят тонкие нити в виде лучей; между центриолями формируются нити веретена. После разрушения ядерной оболочки каждая хромосома прикрепляется к нитям веретена с помощью своей центромеры. Когда сокращение хромосом достигает максимальной степени, они превращаются в коротенькие палочкообразные тельца и выстраиваются в плоскости экватора образующегося вокруг них веретена. К этому моменту профаза заканчивается, и короткий промежуток времени, в течение которого хромосомы находятся в плоскости экватора, представляет собой метафазу. Центромера делится, и хроматиды превращаются в две совершенно обособленные дочерние хромосомы. Деление центромер происходит одновременно во всех хромосомах. Центромеры расщепляются, и это уже начало анафазы. Выстроившись вдоль экватора, хромосомы тотчас же начинают расходиться, причем каждый член разъединяющейся пары (сестринские хроматиды) отходит к одному из полюсов. Природа механизма, заставляющего хромосомы двигаться к полюсам, пока не известна. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 45/235 Телофаза начинается с момента достижения хромосомами полюсов. Хромосомы достигают такого состояния, когда видны лишь хроматиновые нити или гранулы. Вокруг каждого дочернего ядра образуется ядерная оболочка. На этом завершается деление ядра (кариоикинез), за которым следует деление тела клетки (цитокинез). При делении клеток животных на поверхности клетки в плоскости экватора образуется борозда. Она постепенно углубляется и разделяет цитоплазму на две дочерние клетки, в каждой из которых имеется ядро. У большинства типов клеток весь процесс митоза занимает 1—2 ч. Факторы, побуждающие клетку к митозу, точно не известны, однако считается, что в этом играет роль соотношение объемов ядра и цитоплазмы. По мере роста клетки ее объем увеличивается быстрее, чем поверхность ядерной оболочки. Наступает момент, когда поверхность ядра становится недостаточной для осуществления обмена веществ между ядром и цитоплазмой, необходимого дальнейшего роста, что и приводит к стимуляции деления клеточного ядра. В процессе митоза происходит равномерное распределение хромосом между двумя дочерними ядрами, так что в многоклеточном организме все клетки имеют одинаковый набор хромосом. Регулярный и упорядоченный митотический процесс обеспечивает передачу генетической информации каждому из дочерних ядер; в результате каждая клетка содержит генетическую информацию обо всех признаках организма. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 46/235 МЕЙОЗ Постоянство числа хромосом в последовательных поколениях обеспечивается процессом мейоза, происходящим при созревании гамет — яйцеклеток и спермиев. Мейоз (от греч. meiosis— уменьшение) по существу состоит из двух клеточных делений, при которых число хромосом уменьшается вдвое, так что гаметы получают вдвое меньше хромосом, чем остальные клетки тела. Когда две восстанавливается гаметы нормальное соединяются число при хромосом. оплодотворении, Уменьшение то числа хромосом при мейозе происходит не беспорядочно, а вполне закономерно: члены каждой пары хромосом расходятся в разные дочерние клетки. В результате в каждую гамету попадает по одной хромосоме из каждой пары, то есть один полный набор хромосом. Это осуществляется путем попарного соединения сходных хромосом и последующего расхождения членов пары, каждый из которых отходит к одному из полюсов. Сходные хромосомы, конъюгирующие в мейозе, называются гомологичными хромосомами. Они тождественны по величине и форме и содержат сходные гены. Набор, содержащий по одной хромосоме каждого сорта, называется гаплоидным; содержащий по две хромосомы каждого сорта — диплоидным. Гаметы содержат гаплоидное число хромосом, а оплодотворенная яйцеклетка и все клетки организма, развивающиеся из зиготы, — диплоидное число. Процесс мейоза заключается в двух, следующих одно за другим клеточных делениях, называемых соответственно первым и вторым мейотическими делениями (Рис. 4). Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 47/235 Рис.4 – Стадии мейоза Репликация (удвоение) хромосом происходит в период премейотической интерфазы. В первом мейотическом делении уменьшается вдвое число центромер, однако каждая центромера прикреплена к дуплицированной хромосоме. Во втором мейотическом делении центромеры делятся и каждая дуплицированная хромосома превращается в пару самостоятельных хромосом. В каждом мейотическом делении различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу, которые наблюдаются и в митозе. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 48/235 Профаза первого мейотического деления (профаза I) более продолжительна, чем митотическая, и делится на несколько стадий, каждая из которых обладает своими отличительными свойствами: лептотена — стадия лептонемы (тонких нитей). Отдельные нити — хромосомы — называют моновалентами. В этой стадии мейоза хромосомы длиннее и тоньше, чем в самой ранней профазе митоза; зиготена — стадия зигонемы (соединение нитей). Тонкие нити конъюгируют друг с другом в результате процесса, именуемого синапсисом. Подобная конъюгация отличается высокой точностью. Она осуществляется не просто между гомологичными хромосомами, а между точно соответствующими индивидуальными точками гомологов. Так образуются биваленты — двойни гомологичных хромосом; пахитена — стадия пахинемы (толстых нитей). Соединение гомологов становится столь тесным, что уже трудно различить две отдельные хромосомы. В этой стадии происходит кроссинговер, или перекрест хромосом; диплотена — стадия диплонемы (двойных нитей), или стадия четырех хроматид. Каждая из гомологичных хромосом бивалента расщепляется на две хроматиды, так что биваленты содержат по четыре хроматиды. Хотя в некоторых местах тетрады хроматиды отходят друг от друга, они по-прежнему тесно контактируют в других местах. Места соединения хроматид разных хромосом называют хиазмами (от греч. chiasmos — расположение чего-либо) и обозначают в виде греческой буквы х. Наличие хиазмы удерживает моноваленты вместе. Одновременно с продолжающимся укорачиванием и, соответственно, утолщением хромосом бивалента происходит их взаимное отталкивание — расхождение. Связь сохраняется только в плоскости Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» перекреста — в хиазмах. Завершается обмен Лист 49/235 гомологичными участками хроматид; стадия диакинеза характеризуется максимальным укорочением диплотенных хромосом. Биваленты гомологичных хромосом отходят к периферии ядра, так что их легко подсчитать. На этом завершается профаза I. Метафаза I начинается с момента исчезновения ядерной оболочки. Биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки. Формируется веретено деления. Анафаза I отличается полным расторжением взаимосвязи гомологичных хромосом, отталкиванием их одна от другой и расхождением к разным полюсам. Заметим, что при митозе расходились к полюсам однохроматидные хромосомы, здесь же, при мейозе, расходятся хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид. Таким образом, именно в анафазе происходит редукция — сокращение числа хромосом. Телофаза I весьма кратковременна и слабо обособлена от предыдущей фазы. В телофазе I образуются два дочерних ядра. Ее нередко рассматривают как состояние покоя между двумя делениями мейоза — интеркинез. Второе деление мейоза происходит в обоих дочерних ядрах так же, как и в митозе. Моновалентные хромосомы (каждая состоит из двух хроматид) сокращаются (профаза II) и ориентируются в средней части клетки — по экватору (метафаза II). Вновь возникает веретено из ахроматиновых нитей. В стадии анафазы II хроматиды отделяются друг от друга и быстро расходятся к разным полюсам. Наконец, в телофазе II происходят образование ядер, деспирализация хромосом. Образовавшиеся четыре клетки имеют гаплоидный набор хромосом. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 50/235 ГАМЕТОГЕНЕЗ Гаметы у животных образуются в особых органах — гонадах (половых железах): яйца в яичнике, спермин в семеннике. Диплоидные клетки, из которых развиваются гаметы, называют оогониями и сперматогониями (рис.5). Их быстрая пролиферация (от лат. proles — потомство и fеrо — несу — разрастание ткани животного или растительного организма в результате размножения клеток) путем митоза приводит к образованию огромного количества клеток (ооцитов). Клетки растут, причем так называемые ооциты I порядка достигают значительно больших размеров, чем сперматоциты I порядка. Затем одно за другим происходят два деления созревания: сначала редукционное, в результате которого образуются сперматоциты и ооциты II порядка, а потом эквационное. Рис. 5 - Сравнительная схема развития женских (оогенез) и мужских (сперматогенез) половых клеток Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 51/235 В результате делений созревания образуются четыре гаплоидные клетки. Будущие мужские гаметы — сперматиды — одинаковы по размерам, а у особей женского пола продукты деления созревания неравноценны: ооцит I порядка, отделяя маленькое направительное, или полярное, тельце, превращается в ооцит II порядка, а тот, в свою очередь, отделяет еще одно полярное тельце и становится крупным, богатым цитоплазмой зрелым яйцом. Образовавшиеся полярные тельца в дальнейшем развитии не участвуют. После деления и созревания яйцо готово к оплодотворению. Сперматиды же должны в процессе сперматогенеза морфологически преобразоваться в подвижные спермии. Занятие № 8 ТЕМА: Закономерности наследования признаков при половом размножении Содержание и методика проведения занятия. Г. Мендель впервые сформулировал идею о существовании наследственных факторов. Им был также создан гибридологический метод, связанный с изучением характера наследования отдельных признаков и свойств организмов. К основным особенностям гибридологического метода изучения наследственности относят: 1) использование в качестве исходных форм для скрещивания растений, отличающихся друг от друга сравнительно небольшим числом (одна, две или три пары) контрастных признаков, и тщательный учет характера наследования каждого из них; 2) точный количественный учет гибридных растений, различающихся по отдельным признакам, в ряде последовательных поколений; 3) индивидуальный анализ потомства от каждого растения в ряде последовательных поколений; 4) недопустимость влияния чужеродного генетического материала на Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 52/235 родительские расы и гибриды; 5) сохранение способности к размножению у гибридов и их потомков. Моногибридное скрещивание Свои основные опыты Г. Мендель провел в период с 1856 по 1863 г. В качестве главного материала для изучения закономерностей наследственности он выбрал горох. Горох — самоопыляющееся растение: пыльца обычно попадает на рыльце пестика того же цветка и опыляет его. Однако довольно просто можно провести перекрестное опыление. Для этого Г. Мендель раскрывал бутоны и удалял тычинки с еще не созревшей пыльцой, предотвращая тем самым самоопыление, а затем опылял этот цветок пыльцой другого растения. В своих исследованиях Г. Мендель использовал 22 сорта гороха, отличающихся друг от друга по семи признакам, характер наследования которых он и изучал в своих знаменитых опытах. Полученные данные Г. Мендель математически обработал и в результате выявил четкую закономерность передачи отдельных признаков от родительских форм к их потомкам в ряде последовательных поколений. Эту закономерность Г. Мендель сформулировал в виде правил наследственности, получивших позднее название «законы Менделя». Скрещивая растения, различающиеся между собой по одной паре альтернативных признаков (такое скрещивание называют моногибридным), Г. Мендель обнаружил, что гибриды первого поколения проявляют только один признак из альтернативной пары. Так, при скрещивании сорта гороха, имеющего желтые семена, с сортом, имевшим зеленые семена, все гибридные семена были желтыми вне зависимости оттого, какой сорт использовали в качестве материнского. При скрещивании высоких растений с низкорослыми в первом поколении все растения были высокорослыми и т.д. На основании этих опытов Г. Мендель пришел к заключению, что при Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 53/235 скрещивании сортов, отличающихся по одной паре признаков, у гибридов первого поколения (F) всегда проявляется признак только одного из родителей. Такие признаки Г. Мендель назвал доминантными (от лат. dominantis — господствующий). Признаки, которые у гибридов первого поколения не проявлялись, Г. Мендель назвал рецессивными (от лат. recessus — отступление). Наблюдаемое явление Г. Мендель определил как правило доминирования, которое впоследствии стали называть первым законом Менделя, или законом единообразия гибридов первого поколения. Подвергнув гибридные растения самоопылению, Г. Мендель обнаружил, что среди потомков таких гибридов во втором поколении (наряду с особями, несущими доминантный признак), появились особи с особенностями другого родителя, ранее не проявившимися. В полученном таким образом втором поколении от скрещивания гибридных растений с желтыми семенами встречались как желтые, так и зеленые горошины в соотношении 3 : 1. Примерно такое же отношение наблюдалось и при других скрещиваниях: каждый раз в поколении F2 растений с доминантным признаком оказывалось примерно втрое больше, чем с рецессивным. На основании проведенных опытов Г. Мендель сформулировал второе правило, или закон расщепления признаков у гибридов второго поколения. Второй закон наследственности — основной вклад Г. Менделя в экспериментальное изучение наследственности. Опыты Г. Менделя повторялись многократно разными исследователями. Так, профессор Жегалов, изучая наследование окраски всходов овса, получил во втором поколении расщепление на растениях с доминирующей зеленой окраской хлорофилла, в соотношении 3,007 : 1. и рецессивной белой, лишенной Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 54/235 Отмеченный Г. Менделем факт того, что рецессивный признак в скрытом виде проходит через поколение гибридов и вновь возникает у их потомков, привел ученого к идее о существовании ответственных за эти явления наследственных факторов. В 1905 г. В. Иоганнсен в своей книге «Элементы точного учения об изменчивости и наследственности» предложил называть наследственные факторы «генами». Для удобства обработки данных Г. Мендель применил буквенное обозначение наследственных факторов: для доминантного признака — А, для рецессивного — а. Наследственно чистые доминантные особи получили обозначение АА, а чистые рецессивные особи — аа. Альтернативные наследственные факторы стали называть аллелями (от греч. allelon — друг друга, взаимно; иначе — аллеломорф — один из пары генов, определяющих развитие того или иного признака; один из нескольких вариантов гена, которые могут находиться в данном участке хромосомы). Аллели можно охарактеризовать как различные (контрастные) формы одного гена, возникающие в результате мутации гена, либо как признаки, обусловленные одной парой аллельных генов. В дальнейшем организмы, имеющие пару одинаковых аллелей (АА или аа), стали называть гомозиготными, а особей с набором Аа — гетерозиготными. В. Иоганнсен ввел также понятия фенотип и генотип. Под фенотипом он понимал сумму признаков организма, под генотипом — совокупность наследственных факторов, или генов. Так, при скрещивании гороха, имеющего желтую окраску семян, родительские особи гомозиготны по гену А, то есть имеют генотип АА. Гибриды первого поколения по фенотипу и генотипу одинаковы, то есть желтые и гетерозиготные — Аа. Во втором поколении получено расщепление: по фенотипу — 3 желтых : 1 зеленый и по генотипу — АА : 2Аа : аа. Следовательно, растения с желтыми семенами могут быть Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 55/235 как гомозиготными, так и гетерозиготными и поэтому будут образовывать гаметы одного или двух типов (А или А и а). Чтобы определить, какие гаметы будут образовывать особи с желтыми семенами, применяют анализирующее скрещивание. Для этого исследуемое растение скрещивают с растением гомозиготным по рецессивному гену. Если растение гомозиготно по доминантному гену А, то все потомки будут фенотипически одинаковы, то есть желтые, а по генотипу гетерозиготны (ААхаа - Аа). Если растение с желтыми семенами гетерозиготно, то будет наблюдаться расщепление по фенотипу в соотношении 1 желтый : 1 зеленый и по генотипу АА : аа (Аа хаа->Аах аа). Дигибридное скрещивание Третий закон Менделя — закон независимого наследования — был сформулирован им на основании изучения потомства от дигибридных скрещиваний. Дигибридным называют скрещивание особей, различающихся по двум парам альтернативных признаков. Так, при скрещивании сорта гороха, имевшего желтые гладкие семена (ААВВ), с сортом, имевшим зеленые морщинистые семена (aabb), гибриды Fx имели желтые гладкие семена, так как гладкая форма семян доминирует над морщинистой. В Р2 среди 556 полученных семян Мендель обнаружил Рис.6 – Хромосомное объяснение закона независимого распределения наследственных факторов при дигибридном скрещивании (решетка Пеннета) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 56/235 315 желтых гладких, 101 желтых морщинистых, 108 зеленых гладких и 32 зеленых морщинистых, что можно выразить соотношением 9:3:3: 1. При рассмотрении этого соотношения видно, что наряду с семенами, обладающими сочетаниями признаков, характерными для исходных форм (желтые гладкие и зеленые морщинистые), в F2 появляются семена с новыми сочетаниями признаков — зеленые гладкие и желтые морщинистые, то есть происходит перекомбинация признаков исходных форм. На основании подробного анализа опыта и ряда аналогичных скрещиваний Г. Мендель пришел к заключению, что факторы А и В у гибридов АаВb при образовании половых клеток распределяются между собой совершенно независимо друг от друга и дают различные сочетания с одинаковой частотой. Поэтому среди половых клеток, образуемых гибридами Fx, одна половина заключает фактор А, другая — а. Так же обстоит дело и с факторами В и b. Каждая половая клетка содержит только по одному представителю от пары факторов Аа и по одному представителю от пары Вb, поэтому возможны только четыре сочетания — АВ, Ab, аВ, ab. Это в равной степени относится как к женским половым клеткам, так и к мужским (Рис. 6). Сочетания гамет с различными генотипами происходят совершенно случайно, поэтому образование зигот у гибридов F1 при дигибридных скрещиваниях математически можно выразить следующим образом: (AB + Ab + aB + ab) x (AB + Ab + aB + ab). После раскрытия скобок и объединения зигот формула приобретает следующий вид: 9AB : 3Ab : 3aB : 1ab, который полностью соответствует эперически найденному соотношению: 9 желтых гладких (AB) : 3 желтых морщинистых (Ab) : 3 зеленых гладких (aB) : 1 зеленый морщинистый (ab). Если предположить, что факторы A и B расположены в разных негомологичных хромосомах (независимое распределение наследственных Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 57/235 факторов имеет место только при этом условии), то, пользуясь современной терминологией, весь процесс расщепления можно описать при помощи решетки Пеннета (Рис.6). Для наглядности пара хромосом, в которых расположены гены A и a, изображена в виде палочковидных тел, а пара хромосом, в которых расположены гены B и b – в виде округлых. Хромосомы доминантного предка окрашены в черный цвет, а хромосомы рецессивного оставлены белыми. Так как после мейоза число хромосом уменьшается вдвое, то гаметы доминантного родителя имеют генотип AB, а гаметы рецессивного – генотип ab. Соединение гамет дает зиготу F1 с генотипом AaBb. Во время мейоза у гибридов F1 отцовские и материнские хромосомы расходятся в дочерние клетки совершенно независимо друг от друга, поэтому гаплоидные половые клетки с равной вероятностью могут содержать как две хромосомы одного из родителей (AB или ab), так и по одной хромосоме от каждого из них (Ab или aB). Мужские и женские гаметы этих четырех групп соединяются между собой совершенно свободно, с равной вероятностью образуя зиготы, возникающие в результате сочетания мужских и женских гамет с любым сочетанием генотипов: AB, Ab, aB и ab. Решетка Пеннета, изображенная в нижней части рис. 3.2, дает представление о свободном сочетании гамет и генотипов зигот, возникающих в результате сочетания этих гамет. Зиготы, выписанные внутри решетки, образуют комбинационный ряд, состоящий из девяти членов, которые отличаются друг от друга по генотипу. Частоту встречаемости этих девяти членов можно записать следующим образом: AABB + Aabb + aaBB + aabb + 2AABb + 2aaBb + 2AaBB + 2Aabb + 4AaBb. При условии полного доминирования члены, гетерозиготные по определенному фактору, внешне неотличимы от членов, гомозиготных по Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 58/235 доминантному фактору, и объединяются с ними в одну фенотипическую группу. В данном случае выделены четыре фенотипических группы: AB желтые гладкие, Ab - желтые морщинистые, aB - зеленые гладкие, ab зеленые морщинистые. После подсчета и объединения в группы фенотипически сходных зигот получается соотношение: 9AB : 3Ab : 3aB : 1ab, подобное соотношению, полученному Менделем. До сих пор мы рассматривали только гены, существующие в двух аллельных состояниях, - доминантном и рецессивном, однако многие гены имеют более двух аллелей. Серией множественных аллелей называют три или более состояний одного гена, обусловливающих разные фенотипы. Такие серии аллелей установлены у животных и растений. В частности, у плодовой мухи дрозофилы найдены большие серии аллелей по окраске глаз. Так локус дрозофилы, расположенный вблизи одного из концов Х-хромосомы несет ген красной или белой окраски глаз. В нем могут быть расположены также гены, обусловливающие окраску глаз всех промежуточных тонов между белым и темно-красным. К этой серии относятся, например, гены абрикосовых, вишневых и эозиновых глаз. Для наследования таких аллелей характерно, что они образуют последовательный ряд доминирующих форм; при этом вышестоящая форма доминирует над всеми последующими, но рецессивна в отношении предыдущих, например, как у кроликов – агути > шиншилловый > гималайский > альбинос. У каждого организма, если он гомозиготный, может быть только один ген из серии аллелей, а если он гетерозиготный, то два гена. Скрещивание же между собой особей, имеющих разные аллели, приводит во втором поколении к моногибридному расщеплению в соотношении 3 : 1 по фенотипу и 1 : 2 : 1 по генотипу. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 59/235 Виды доминирования Соотношения в расщеплении у гибридов второго поколения, установленные Г. Менделем, наблюдаются при полном доминировании, то есть когда один аллель полностью подавляет действие другого. Однако впоследствии были обнаружены и другие виды доминирования. Так, например, при скрещивании безухих овец с овцами, имеющими нормальную длину ушей, все потомство первого поколения оказывается с короткими ушами. Такое явление было названо неполным доминированием. При скрещивании таких овец между собой во втором поколении получали овец с нормальным размером ушей, короткоухих и без ушей в соотношении 1:2:1. В дальнейшем при скрещивании овец с нормальными ушами все потомство имело нормальные уши, при скрещивании безухих овец все потомки были безухими, а при скрещивании короткоухих овец снова наблюдалось расщепление в соотношении 1:2:1. Аналогично наследуется окраска оперения у андалузских кур. При скрещивании кур, имеющих белую окраску оперения, с курами, имеющими черную окраску оперения, все гибриды первого поколения оказались серыми, то есть с промежуточной окраской оперения. В F2 соотношение черных, серых и белых кур 1:2:1. Сверхдоминирование — вид доминирования, при котором у гибридов первого поколения наблюдается более сильное развитие признака, чем у исходных родительских форм. Исследователи, открывшие это явление, объясняют его по-разному, однако большинство из них склоняются к тому, что при сверхдоминировании доминантный ген в одной дозе (то есть в гетерозиготном состоянии) более благоприятно влияет на развитие признака, чем в двойной. На явлении сверхдоминирования частично основан широко распространенный в США способ получения гибридных семян кукурузы путем комбинации при скрещивании четырех неродственных линий. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 60/235 Аналогично это явление используется в птицеводстве при создании различных кроссов и гибридов мясной птицы. Несколько позже был установлен еще один вид доминирования — кодоминирование, при котором у гибридов первого поколения проявляются признаки того и другого предка, выраженные в равной степени и независимо друг от друга. Так, при скрещивании красных шортгорнских коров (АА) с белыми шортгорнскими быками (аа) получаются телята чалой масти (смесь белых и красных волос по всему телу). По фенотипу потомков легко определить, что они гетерозиготны по этим генам. Во втором поколении расщепление на красных, чалых и белых происходит в соотношении 1 : 2 : 1, как и при неполном доминировании. По типу кодоминирования наследуются, в частности, группы крови животных, человека в системе АВО, различия в строении белков, например гемоглобина или трансферрина, ферментов и другие. Летальное действие генов Французский зоолог Кено обнаружил, что при скрещивании между собой желтых мышей окраска их волосяного покрова никогда не закрепляется и в потомстве всегда дает расщепление на желтых и нежелтых в соотношении 2:1. Анализирующее скрещивание желтых и нежелтых особей давало расщепление 1 : 1. Результаты дальнейших опытов привели в конце концов к заключению, что все желтые мыши гетерозиготны, а зиготы, гомозиготные по желтой окраске, погибают на ранней стадии развития. Так впервые было показано, что ген в гомозиготном состоянии может быть летальным (приводить к гибели). Среди овец каракульской породы встречаются животные с красивой серебристо-серой (ширази) окраской шкурки, оцениваемой дороже, чем обычный черный каракуль. При скрещивании серых овец с серыми баранами оказалось, что они всегда гетерозиготны, так как в из потомстве всегда было Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 61/235 25% черных ягнят. В то же время 25% ягнят (причем только серой окраски) погибали от хронической тимпании при переходе на грубый корм. Причиной заболевания оказалось нарушение парасимпатической нервной системы. Когда же скрещивали серых баранов с черными матками или серых маток с черными баранами, то в потомстве оказывалось 50% серых и 50% черных ягнят, причем серые ягнята не погибали от тимпании. Оказалось, что в гомозиготном состоянии ген, вызывающий развитие серой окраски, обладал рецессивным летальным действием, основанным на нарушении функций парасимпатической нервной системы. При искусственном осеменении, когда от одного быка можно получить несколько тысяч телят в год, опасность распространения вредных генов очень велика. Производитель, гетерозиготный по летальному гену, передает этот ген половине своих потомков, и если среди спаренных с ним коров не найдется достаточного числа гетерозигот по этому же гену, от которых может быть получено значительное число гомозиготных дефектных телят, то обнаружить носителя такого вредного гена можно только через несколько поколений. Летальные гены, случалось, мигрировали из одного стада в другое и даже из одной страны в другую. Так, быка голштинской Принца Адольфа, завезенного из Голландии в Швецию в 1902 г., считали выдающимся производителем. Спустя 26 лет, когда стало известно, что он был носителем летального гена бесшертности, его наследственный материал оказался широко распространенным среди шведских голштинов. Бык айрширской породы Данлоп-Талисман, завезенный в 1923 г. в Финляндию, обладал геном, вызывающим гидроцефалию. К концу 1937 г. в племенной книге айрширского скота Финляндии было зарегистрировано 84 сына и 189 внуков этого быка. Установили, что 82 его внука происходили от тех сыновей Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 62/235 Данлоп-Талисмана, которые были гетерозиготными по данному летальному гену. Сами по себе летальные гены не элиминируются; концентрация вредных генов в той или иной породе сожет достичь такого уровня, что возникает необходимость в специальных мерах для снижения частоты этих генов. Основной задачей при этом является выявление животных, в особенности производителей, гетерозиготных по нежелательному гену. Если такой ген полностью рецессивен, то выявить гетерозигот можно только с помощью испытания по потомству. К настоящему времени у крупного рогатого скота определено 46 летальных генов, у лошадей 10, у свиней 18, у овец 15, у кур 45, у индеек 6, у уток 3. Различие в количестве леталей, обнаруженных у животных разных видов, зависит не столько от биологических особенностей вида, сколько от степени его изученности, количества и материальной ценности получаемого потомства, а следовательно, от большего или меньшего внимания к особенностям погибших животных. Взаимодействия неаллельных генов Г. Мендель не ограничился установлением закона независимого наследования пар аллелей, он положил начало учению о взаимодействии генов, что накладывает заметный отпечаток на формы наследования многих свойств организмов. Принцип полимерии приобрел очень важное значение, ибо при его помощи признаков. была объяснена Различия по специфика наследования количественным количественных признакам не имеют альтернативного характера, организмы связаны между собой целым рядом переходов. Здесь, казалось бы нельзя использовать простые формулы менделевского расщепления, а вместе с тем большинство хозяйственно ценных свойств, таких как урожайность растений, молочность, мясность, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» жирномолочность коров, яйценоскость птиц и т.д., Лист 63/235 по характеру наследования относятся к количественным признакам. Детальный анализ показал, что здесь мы имеем дело с полигенной наследственностью, при которой целый ряд однозначно действующих генов влияет на развитие признаков. В этих условиях сами пары аллелей наследуются строго по законам Менделя, однако картина расщепления по фенотипу резко усложняется. Так, например, у пшеницы известны два типа окраски зерен: белозерные формы, лишенные пигмента в оболочке зерна, и краснозерные, содержащие в оболочке красный пигмент. Красная окраска доминирует над белым цветом зерен. При скрещивании сортов пшеницы, имевших красную окраску зерен, с белозерным сортом в F1 зерна всех растений были промежуточной розовой окраски, а в F2 у 1/16 растений – красной, у 1/16 белой, а у остальных 14/16 - промежуточной окраски разной степени интенсивности. Было отмечено, что интенсивности пигментации усиливалась с увеличением числа генов, влияющих на развитие пигмента. В данном случае происходит накопление действия генов, усиливающих развитие признака, когда действие генов, усиливающих развитие признака, когда действие их как бы суммируется и увеличение развития признака зависит от эффекта действия каждого из них. Такое действие генов называют аддитивным (суммирующимся), а сами гены, усиливающие развитие признака, - аддитивными. Следовательно, при аддитивном действии генов величина признака зависит от числа генов, влияющих на усиление его развития. Однако полимерия бывает и неаддитивной. Например, у растения пастушья сумка известны две разновидности, одна из которых имеет плоды (стручки) треугольной формы, а другая – овальной. Гибриды первого поколения, полученные от скрещивания этих разновидностей, имеют треугольные плоды. В F2 идет расщепление по форме плодов в соотношении: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 64/235 15 растений с треугольными плодами к 1 растению с овальными. Если обозначить гены, принимающие участие в определении формы плодов, как A и B, и предположить, что для того, чтобы образовались плоды треугольной формы, достаточно хотя бы одного из доминантных генов – А или В, то в результате такого скрещивания во втором поколении будет расщепление 15 : 1. Растения, в генотипе которых имеется хотя бы один доминантный ген – А или В, имеют треугольные плоды, и только растения с генотипом aabb образуют овальные, и вследствие этого обычное дигибридное расщепление в соотношении 9 : 3 : 3 : 1 меняется на 15 : 1. Две независимые пары генов могут взаимодействовать таким образом, что ни один из доминантных генов не может вызвать соответствующего эффекта в отсутствие второго доминантного гена. Такие пары генов называют комплементарными (взаимодополняющими); в определении фенотипического эффекта действие каждого из них дополняет действие другого. Присутствие двух доминантных генов обусловливает появление одного признака, а противоположный признак возникает при отсутствии любого из них или обоих. Примером такого взаимодействия может служить образование коричневого пигмента у шелковичного червя. Коричневый пигмент для насекомых имеет важное значение и связан с развитием фототаксиса. У тутового шелкопряда выявлены две рецессивные мутации двух неаллельных генов, обозначаемых W1 и W2; обе приводят к полной потере коричневого пигмента. Гибриды первого поколения от скрещивания двух форм, лишенных коричневого пигмента, из которых одна гомозиготна по гену w1 (w1w1W2W2) а другая по гену w2 (W1W1w2w2), имеют коричневый пигмент, так как содержат гены W1 и W2(W1w1W2w2). В F2 идет расщепление на формы, имеющие коричневый пигмент, и формы, лишенные этого пигмента, в соотношении 9 : 7. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 65/235 Установлено, что образование коричневого пигмента связано с кинуренином и оксикинуренином, для которых, в свою очередь, исходным продуктом является триптофан. Вместе с пищей (листья шелковицы) тутовый шелкопряд в изобилии получает триптофан, который под влиянием соответствующих ферментов претерпевает ряд химических изменений и превращается сначала в кинуренин, затем в оксикинуренин и, наконец, в коричневый пигмент. Ген w1 (в гомозиготном состоянии) вызывает образование белка, не имеющего ферментативных свойств, определяющих превращение кинуренина в оксикинуренин. Животные, гомозиготные по гену w1 лишены оксикинуренина, и у них накапливается значительное количество кинуренина. Ген w2 в гомозиготном состоянии обусловливает отсутствие фермента, контролирующего превращение оксикинуренина в коричневый пигмент, поэтому животные, гомозиготные по гену w2, также лишены коричневого пигмента,но у них накапливается не кинуренин, а оксикинуренин. Гибриды F1 от скрещивания генотипически различных форм, лишенных коричневого пигмента (W1w1W2w2 ), гетерозиготны по генам W1 и W2. Имея в одинарном количестве нормальные аллели генов w1w2, они способны превращать кинуренин в оксикинуренин и оксикинуренин в коричневый пигмент. Во втором поколении некоторые животные несут ген w1 или w2 в гомозиготном состоянии и лишены пигмента. Ранее было отмечено, что лишенные коричневого пигмента исходные формы w1w1W2W2 и W1W1w2w2 отличаются друг от друга по содержанию кинуренина и оксикинуренина, поэтому в F2 среди особей без коричневого пигмента следовало ожидать 4/7, накапливающих кинуренин, и 3/7 накапливающих оксикинуренин. Действительно, среди особей F2 примерно в Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 66/235 равном количестве были найдены особи, лишенные коричневого пигмента и содержавшие оксикинуренин, и особи, лишенные коричневого пигмента и содержащие кинуренин. Таким образом, не только установлен характер расщепления в F2, обусловленный взаимодействием двух неаллельных генов, но и выявлены биохимические процессы, которые обусловлены этим взаимодействием. Как известно, доминирование есть подавление одним аллелем действия другого: A>a, B>b, C>c и т.д. Но существует взаимодействие, при котором аллель одного из генов подавляет действие аллелей других генов, например, A>B или B>A, a>B или b>A и т.д. Такое явление называют эпистазом. Эпистатическое взаимодействие генов по своему характеру противоположно комплементарному взаимодействию. Гены, подавляющие действие других генов, называют супрессорами. Они могут быть как доминантными, так и рецессивными. Гены-супрессоры известны у животных и у растений. Изменение расщепления при таком типе взаимодействия генов можно наблюдать на примере скрещивания кур доминантной и рецессивной белой окраски. Белое оперение виандотов, плимутроков и некоторых других пород обусловлено отсутствием гена С, определяющего образование в перьях пигмента меланина. Перечисленные породы не являются полными альбиносами, так как глаза их окрашены. В отношении окраски оперения их генотип – сс. Окраска оперения леггорнов такая же, как и у других белых пород, но генетический анализ указывает на то, что они несут ген С. Действие этого гена подавляется у белых леггорнов геном-супрессором I, который в гомозиготном состоянии препятствует проявлению окраски. О белых леггорнах говорят, как о доминантных белых, потому что при скрещивании с окрашенными породами они дают в первом поколении преимущественно белое потомство. При скрещивании белых плимутроков и белых виандотов с окрашенными породами в первом Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 67/235 поколении, наоборот, получают исключительно окрашенное потомство, поэтому эти породы считают рецессивными белыми. Когда белых леггорнов скрещивают с рецессивными белыми породами, то F1 обычно не чисто-белое, так как ген I у гетерозигот не полностью эпистатичен по отношению к гену С. У большинства цыплят и взрослых особей генотипа Ii встречаются черные пятна на пере, но в основном у них преобладает белое оперение; некоторые особи бывают совершенно белые. При скрещивании между собой гибридов F1 в F2 в результате взаимодействия генов I и C и их аллелей расщепление по окраске будет следующим: 13 белых : 3 окрашенных. Если бы можно было идентифицировать каждую особь, гетерозиготную по I, то соотношение изменилось бы таким образом: 7 чисто белых : 6 белых с черными пятнышками : 3 окрашенных. Среди семи чистобелых три должны быть гомозиготными только по гену доминантной белой окраски, три – только по гену рецессивной окраски, а одна – по генам обеих белых окрасок, однако распознать эти три генотипа можно лишь путем анализирующих скрещиваний. Подобную закономерность можно наблюдать при изучении наследования масти у лошадей. Ген C определяет серую масть, его рецессивный аллель c - рыжую. В другой паре хромосом имеется доминантный ген B, определяющий вороную масть, его рецессивный аллель b - рыжую масть. При скрещивании серых лошадей с генотипом CCBB и рыжих с генотипом ccbb в F1 получим дигетерозигот CcBb серой масти, так как ген C эпистатичен гену B. Во втором поколении будет наблюдаться расщепление: 12 серых : 3 вороных : 1 рыжая. Данное соотношение свидетельствует также о расщеплении по двум генам; его можно представить как 9 (C – B - ) + 3 (C – bb ) + 3 (ccB - ) + 1 (ccbb), что соответствует формуле 9 : 3 : 3 : 1. Очевидно, что в этом случае все лошади, имеющие ген C, будут Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 68/235 серой масти. Лошади, которые имеют ген B, но не имеют гена C, будут вороными и гомозиготные рецессивы будут рыжей масти. В некоторых случаях супрессором может быть и рецессивный ген. Такое явление называют рецессивный эпистаз. Так, у мышей имеются ген A, определяющий серую окраску шерсти, и рецессивный ген a (черная окраска). В другой паре аллелей доминантный ген B способствует образованию пигмента, а его рецессивный аллель b подавляет синтез пигмента и мыши становятся альбиносами. Таким образом, гетерозиготные по обоим генам мыши (AaBb) имеют серую окраску. При скрещивании их между собой получится расщепление в соотношении 9 серых : 4 белых : 3 черных. При изучении действия многих генов было установлено, что каждый из них действует не на один, а на несколько разных признаков. Это явление получило название плейотропного действия генов (греч. pleistos – наибольший). Первый пример плейотропии был описан еще Г. Менделем, который установил, что растения гороха, имеющие пурпурные цветки, кроме того, всегда имеют красные пятна в пазухах листьев и образуют семена, покрытые серой или бурой кожурой, и что все эти признаки зависят от действия одного наследственного фактора. Мы уже рассматривали пример наследования окраски ширази у каракульских овец. Доминантный ген, в этом случае определяющий окраску, одновременно оказывается рецессивным в отношении жизнеспособности особей. У крупного рогатого скота и кур известна наследственная коротконогость. Такие формы встречаются только в гетерозиготном состоянии. Гомозиготные формы гибнут, т.е. в этом случае гены коротконогости также влияют на жизнеспособность особей. Эти примеры свидетельствуют о плейотропном действии гена. Вероятно, все гены в разной степени имеют плейотропный эффект. Есть основания считать, что любой Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 69/235 наследственный признак определяется многими генами, точнее – всем генотипом, и что каждый ген может действовать на развитие многих признаков, или точнее – на всю систему развивающегося организма. Исходя из этого генетики ввели в обиход понятие о генахмодификаторах, которые сами по себе не определяют какую-либо качественную реакцию или признак, а лишь усиливают или ослабляют проявление действия основного гена. Примером действия генов- модификаторов может служить определение характера пегости у лошадей. Хотя масть животных, как правило, наследуется моногенно, однако среди особей одной масти можно видеть животных, имеющих переходную окраску и оттенки основной окраски волос; по-разному она проявляется и на разных участках тела. Гены-модификаторы могут иметь большое значение в формировании у животных резистентности к инфекциям и другим стресс-факторам. Разные организмы неодинаково (легко или тяжело) переносят заболевания или различные нагрузки. Действие модификаторов показывает, что для признака имеет значение вся система генов, то есть признак определяется не только одним или несколькими генами, но в известной мере всем генотипом. Наследственность и среда Весь процесс развития особи, от оплодотворенной яйцеклетки до взрослого организма, происходит под непрерывным регулирующим влиянием генотипа, а также множества различных условий среды, в которой находится растущий организм. Свойства особи зависят, следовательно, от двух основных факторов – генотипа и среды. Внешние различия, которые зависят только от влияний среды, называют модификациями. При недостатке кормов коровы будут давать меньше молока, чем коровы, получающие обильные корма. Данный сорт пшеницы развивается гораздо лучше, если она получает достаточно азота, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 70/235 чем в тех случаях, когда количество азота ниже нормы. Типичные примеры модификаций, обусловленных чисто внешними влияниями, можно наблюдать на любом засеянном злаками поле. Следовательно, необычайная изменчивость, свойственная живым существам, в значительной степени вызвана тем, что разные особи почти всегда находятся в разных условиях среды. Однако не менее важна изменчивость, зависящая от генотипических различий, то есть от различий в генетической конституции. В первую очередь эти различия связаны с рекомбинацией генов. Имеется ряд возможностей для получения особей, идентичных по своему генотипу. Так, с помощью вегетативного размножения из одного растения можно получить большое количество одинаковых потомков в виде клона. В таком случае все особи внутри клона будут иметь один и тот же генотип. При выращивании растений одного клона в разных экологических условиях было получено большое количество модификаций, однако после возвращения растений в прежнюю среду обитания все модификационные свойства исчезают; они не проявляются и в последующих поколениях. Большой интерес представляет изучение особей, идентичных по генотипу. Такое явление наблюдается при рождении однояйцевых (идентичных, монозиготных) близнецов. Среди близнецов наиболее часто встречаются так называемые дизиготные, или неидентичные (разнояйцевые), близнецы. Они возникают при оплодотворении двух независимых яйцеклеток двумя независимыми спермиями. Эти близнецы ничем не отличаются от обычных, в разное время рождающихся братьев и сестер – неблизнецов. При рождении однояйцевых близнецов одна оплодотворенная яйцеклетка делится на два бластомера, которые разъединяясь, дают начало двум независимым друг от друга эмбрионам. Генотипы таких близнецов тождественны. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 71/235 Исследования идентичных близнецов много дали для познания генетики животных и человека. Они позволили ответить на вопросы о соотношении среды и генотипа в развитии особи. Задача исследователей состоит в установлении степени сходства (конкордантности) или несходства (дисконкордантности) в парах близнецов. Установлено, что удельный вес генетической информации в развитии особи очень велик. Близнецы поражают своим физическим сходством, но поразному зависят от влияния условий внешней среды. Возникновение у животного инфекционного заболевания определяется средой, однако даже в отношении таких свойств, которые, казалось бы, вызываются чисто внешними воздействиями, нельзя пренебрегать ролью генотипа. В проявлении таких заболеваний, как грипп, рахит, туберкулез, роль генотипа вполне очевидна. Степень наследственной предрасположенности играет роль при любом заболевании. Классическим примером, иллюстрирующим сущность учения о норме реакции, являются опыты с так называемыми гималайскими кроликами. У этой породы кроликов глаза лишены пигмента и поэтому выглядят красными, тело покрыто белыми волосами и лишь ноги, уши и хвост пигментированы. Эти особенности строго передаются по наследству, будучи детерминированы аллелем сh.. Этот аллель вызывает менделевское расщепление при скрещивании, так что, казалось бы, перед нами – наследование признака в виде определенного рисунка пигментов на теле кролика. Однако оказалось, что появление этого признака требует строгого соотношения генотипа с определенными условиями среды. Генотип кролика таков, что пигмент в клетке начинает вырабатываться лишь при пониженных температурах, поэтому на всех участках тела кролика, где кровообращение ухудшено, образуется черный пигмент. Если же выщипать волосы из участка белой шкурки кролика и позволить им вырасти вновь, но уже в условиях Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 72/235 холода, то они вместо белых окажутся черными. Если выщипать волосы с пигментированных частей тела кролика и позволить им вырасти в условиях повышенной температуры, то вновь выросшие волосы окажутся белыми. Таким образом, наследуется не рисунок гималайского кролика как таковой, а способность в зависимости от температурных условий к образованию пигмента. Способность организмов реагировать на факторы среды, как правило, имеет приспособительный характер, и это составляет важнейшую сторону учения о норме реакции. Способность противостоять колеблющимся условиям среды путем адаптивного реагирования организмов получила название физиологического гомеостаза. У человека при жизни на разных высотах над уровнем моря вырабатывается разное количество эритроцитов; их концентрация в 1 мм3 у людей, живущих на уровне моря, в два раза меньше, чем у людей, живущих высоко в горах. Переселение в места, расположенные на уровне моря, приводит к уменьшению числа эритроцитов в крови. Все перечисленное указывает на глубокие различия между признаком особи и геном. Признаки как таковые не наследуются, они развиваются лишь на основе взаимодействия генотипа со средой. Наследуется только комплекс генов, который определяет норму реакции организма, изменяющую проявление и выражение признаков в разных условиях среды. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 73/235 Занятие 10 ТЕМА: Кроссинговер, определение частоты кроссинговера и расстояния между генами Содержание и методика проведения занятия. Кроме фактов независимого наследования признаков выявлено множество случаев, когда признаки передаются целыми группами. Поскольку в клетке имеется большое число генов, а число хромосом ограничено, то, очевидно, что в каждой хромосоме имеется большое количество генов, связанных между собой и наследуемых группами. Гены, расположенные в одной хромосоме представляют собой группу сцепленных генов (группу сцепления). Гены одной группы сцепления наследуются независимо от генов, принадлежащих к другим группам сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом. Пример сцепления был описан Морганом и его учениками, исследовавшими гены black (черный цвет тела) и vestigial (зачаточные крылья). Аллели дикого типа этих генов определяют серую окраску тела мухи (b+) и нормальные крылья (vg+). Гены серого цвета тела (b+) и зачаточных крыльев (vg) находятся у дрозофилы в одной хромосоме, гены черного цвета (b) и длинных крыльев (vg+) – в другой гомологичной хромосоме. При скрещивании серых зачаточнокрылых самцов (b+vg) c черными длиннокрылыми самками (bvg+) гибриды первого поколения получают от отца хромосому с генами серого цвета тела и зачаточных крыльев, а от матери – с генами черного цвета тела и длинных крыльев. У гибридных самцов образуются два типа гамет: содержащие хромосому, несущую гены серого цвета тела и зачаточных крыльев (b+vg) или же гены черного цвета тела и зачаточных крыльев (bvg+). Если этих самцов скрестить с чернотелыми зачаточнокрылыми самками, то их потомство будет черным длиннокрылым и серым зачаточнокрылым в Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 74/235 соотношении, близком 1 : 1. Каждая гамета материнского организма в данном случае содержит хромосому с рецессивными генами черного цвета тела и зачаточных крыльев (bvg). При наличии полного сцепления по двум парам генов среди гибридов выявляется только два класса особей как при моногибридном скрещивании. Неполное сцепление и кроссинговер Наряду с полным сцеплением Морган обнаружил и неполное. Гибриды первого поколения (самки) были скрещены с черными зачаточнокрылыми самцами. В следующем поколении у большинства особей (83 %) наблюдалось прежнее сочетание признаков (серых с зачаточными крыльями 41,5 %; черных длиннокрылых 41,5 %, а у 17 % - новые сочетания (черных зачаточнокрылых 8,5 %; серых с длинными крыльями 8,5 %). Следовательно, в данном случае сцепление генов было нарушено. Наблюдаемое явление можно объяснить следующим образом. Если гены b+ и vg у диплоидного организма расположены в одной хромосоме, а в гомологичной ей хромосоме расположены альтернативные аллели этих генов b и vg+, то отделиться друг от друга и вступить в новые сочетания гены b+ и vg+ могут только в том случае, если хромосома, в которой они расположены, будет разорвана на участке между этими генами и в месте разрыва произойдет соединение между участками этой хромосомы и ее гомолога. В 1909 г. Ф. Янсенс, изучая мейоз у земноводных, обнаружил в диплотене профазы I хиазмы (перекрест хромосом) и высказал предположение, что хромосомы в мейозе способны взаимно обмениваться участками. Т. Морган развил это представление в идею об обмене генами при конъюгации гомологичных хромосом, а неполное сцепление было объяснено им как результат такого обмена и названо кроссинговером. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 75/235 Частота кроссинговера измеряется отношением числа особей, у которых обнаруживается кроссинговер (кроссоверов), к общему числу особей в потомстве анализирующего скрещивания и выражается в процентах. Морган предположил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, чем далее отстоят гены друг от друга в хромосоме; чем реже кроссинговер, тем они ближе друг к другу. На основе многочисленных генетических исследований Морган выдвинул гипотезу линейного расположения генов в хромосоме. Только при этом допущении процент рекомбинантов может отражать относительное расстояние между генами в хромосоме. Одним из классических генетических опытов Моргана, доказывающих линейное расположение генов, был опыт с дрозофилой. Самки, гетерозиготные по трем сцепленным рецессивным генам, определяющим желтый цвет тела (y), белый цвет глаз (w) и вильчатые крылья (bi), были скрещены с самцами, гомозиготными по этим генам. Из этих данных можно сделать вывод, что процент перекреста является функцией расстояний между генами и их последовательного, то есть линейного, расположения в хромосоме. Расстояние между генами y и bi равно сумме двух одинарных перекрестов между y и w, w и bi. Эти опыты открыли возможность для определения взаимного расположения генов в пределах групп сцепления. Схема относительного положения генов, находящихся в одной группе сцепления называется генетической картой хромосом. Генетические карты составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Для того чтобы составить карты, необходимо изучить большое число мутантных генов. При составлении генетических карт обычно пользуются определенной системой обозначения генов, принятой для каждого объекта. Однако общее их Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 76/235 построение одинаково. В них обязательно указана группа сцепления, полное или сокращенное название генов, расстояние в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а также место центромеры. Цитологическое доказательство кроссинговера В 1931 г. было представлено цитологическое доказательство кроссинговера. К. Штерну с помощью облучения удалось получить у самки и самца половые хромосомы, отличимые друг от друга цитологически и генетически, различающиеся по морфологии. У самок к одной из X-хромосом был присоединен фрагмент от Y-хромосомы, что дало Г-образную Ххромосому с генами cr+/B+ дикого типа (ген cr определяет окраску глаз цвета красной гвоздики, а В – плосковидные глаза). Для анализирующего скрещивания были взяты самцы с нормальными Х- и Y-хромосомами, при этом половая хромосома самца несла гены cr и В+ в гемизиготном состоянии (гемизиготность – наличие гена без соответствующих партнеров (аллелей) у диплоидных организмов). В потомстве были изучены цитологически только самки, среди которых сформировались два класса мух с некроссоверными хромосомами и два класса, появившихся в результате кроссинговера между генами cr и В. Каждый из четырех классов отличался от остальных не только по признакам глаз, но и по морфологии половых хромосом, поэтому цитологически можно было установить, что кроссинговер, давший два новых класса мух, сопровождался обменом участками Х-хромосом. Таким образом, одновременно цитологически и генетически было показано, что рекомбинация генов сопровождается обменом участками гомологичных хромосом. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 77/235 Занятие № 11 ТЕМА: Хромосомная теория наследственности Содержания и методика и проведения занятия. В 1902 г. два исследователя – Вальтер Саттон в США и Теодор Бовери в Германии – независимо друг от друга предположили, что гены расположены в хромосомах, и эта идея положила начало хромосомной теории наследственности. Аргументом в пользу такого предположения был параллелизм в поведении хромосом в процессах мейоза и оплодотворения, с одной стороны, и генов – с другой. Существование двух аллелей данного признака, один из которых наследуется от одного родителя, а другой – от второго, соответствует существованию двух хромосом, каждая из которых приходит от одного из родителей. Два аллеля каждого признака расходятся при формировании гамет, поскольку гомологичные хромосомы каждой пары попадают в процессе определяющие мейоза различные в разные признаки, гаметы. наследуются Некоторые и гены, комбинируются независимо, поскольку они расположены в негомологичных хромосомах, а эти хромосомы комбинируются в гаметах независимо от того, от какого родителя они были получены. Т. Морган проводил свои опыты на дрозофилах, мелких плодовых мушках. С его легкой руки они стали излюбленным объектом генетических исследований в сотнях лабораторий. Их легко раздобыть, они водятся повсеместно. Питаются соком растений, всякой плодовой гнильцой. Их личинки поглощают бактерии. Энергия размножения дрозофил огромна: от яйца до взрослой особи - десять дней. Для генетиков важно и то, что дрозофилы подвержены частым наследственным изменениям. У них мало хромосом - всего четыре пары. В клетках слюнных желез мушиных личинок содержатся гигантские исследований. хромосомы, которые особенно удобны для Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 78/235 С помощью мушки генетика к настоящему времени сделала множество открытий. Известность дрозофилы столь велика, что на английском языке издается ежегодник, ей посвященный, содержащий обильную разнообразную информацию. Суммируя результаты, рассмотренные на прошлом занятии (Тема: «Кроссинговер, определение частоты кроссинговера и расстояния между генами»), и полученные в экспериментах на дрозофиле, Т. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности, основные положения которой таковы: Гены находятся в хромосомах и расположены в линейном порядке на определенном расстоянии друг от друга. Гены, расположенные в одной хромосоме, представляют собой группу сцепления и наследуются совместно. Сцепление может быть нарушено кроссинговером который является регулярным, нормально протекающим в мейозе процессом обмена идентичными участками гомологичных хромосом. Кроссинговер может быть одинарным, двойным и множественным. Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами. Перекрест хромосом повышает комбинативную изменчивость и тем самым создает материал для естественного и искусственного отбора. Не меньшее значение в эволюции имеет и сцепление генов в хромосоме, так как благодаря нему сохраняется стабильность организмов. Если бы не было сцепления, то в потомстве возникали бы миллионы различных комбинаций признаков, и образование и существование видов было бы практически нереально. Сцепление генов ограничивает комбинативную изменчивость, создавая видовую устойчивость. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 79/235 II семестр Занятие № 1 ТЕМА: Молекулярные основы наследственности Содержание и методика проведения занятия. Начало современной молекулярной генетики было положено в 1868 г. открытием дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) швейцарским врачом и химиком Ф. Мишером. Он установил, что вещество, экстрагируемое из гнойной массы и клеточных ядер, химически отличается от белков как по содержанию органического фосфора, так и по устойчивости к расщеплению протеолитическими ферментами. Однако понадобилось еще около 80 лет, чтобы окончательно установить роль ДНК как главного носителя наследственной информации. Важную роль в становлении молекулярной генетики сыграла гипотеза крупнейшего российского биолога Н.К. Кольцова. Он высказал предположение, что роль различных генов в наследственности и их влияние на жизнедеятельность клеток и организмов основываются на общем свойстве – способности к точной редупликации, т.е. созданию своих копий. Тогда же Г. Бидл, Б. Эфрусси, Дж. Холден выдвинули осуществляют постулат, свои что гены функции посредством белков-ферментов. Строение нуклеиновых кислот Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — сложный биополимер, состоящий из мономеров — нуклеотидов. Каждый нуклеотид включает три компонента — остаток Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 80/235 фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (дезоксирибозу) и одно из четырех азотистых оснований: или пуриновых (аденин или гуанин), или пиримидиновых (тимин или цитозин). Специфичность каждого нуклеотида в молекуле ДНК определяется наличием соответствующего азотистого основания, поэтому нуклеотиды принято обозначать начальными буквами азотистых оснований: А — аденин, Г — гуанин, Т — тимин, Ц — цитозин. К первому атому углерода в молекуле пентозы С-Г присоединяется азотистое основание, а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи — фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа ОН (рис.). Нуклеотиды соединяются между собой, образуя длинную цепочку. Химическим остовом цепочки служат остатки фосфорной кислоты, которые связаны фосфодиэфирными связями с 5' углеродом одной молекулы пентозного сахара и 3' углеродом другой (рис.). К первому атому углерода каждой молекулы пентозного сахара присоединяется одно из четырех азотистых оснований. Благодаря такому соединению нуклеотидов молекула ДНК обладает полярностью: репликация ДНК на матричной нити идет в направлении от 5' к 3'. Химические исследования Э. Чаргаффа выявили одну замечательную особенность, присущую всем молекулам ДНК: молярное содержание аденина равно содержанию тимина, а молярное содержание гуанина — содержанию цитозина. Это равенство получило название правила Чаргаффа: А = Т, Г = Ц. Модель структуры ДНК была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (рис.). Они показали, что молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, соединенных комплементарно. Каждый нуклеотид одной цепочки соединяется водородными связями с нуклеотидом другой цепочки строго закономерно: аденин с тимином, гуанин с цитозином. Аденин Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 81/235 соединяется с тимином двумя, а цитозин с гуанином — тремя водородными связями. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении. Другая важная особенность объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК — их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот. Число пуриновых нуклеотидов (А + Г) равно числу пиримидиновых (Т + Ц), то есть отношение (А + Г):(Т + Ц) = 1. Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага — 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру — полинуклеотидную цепь, вторичную структуру — две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру — трехмерную спираль. Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и частично — для каждой особи. Дж. Уотсон ввел понятие о видовой специфичности ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотношение (А + Т): (Г+ Ц). Молекула ДНК обладает исключительным многообразием. Если предположить, что у млекопитающих в ДНК содержится 108 нуклеотидов, то число молекул ДНК, различающихся по порядку чередования нуклеотидов, будет 4 в степени 108. Таким образом, в молекуле ДНК может быть записан практически любой объем наследственной информации, уникальной и специфичной для каждой особи. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 82/235 ТЕМА: Реализация наследственной информации Содержание и методика занятия. Наследственная информация, закодированная в молекуле ДНК, реализуется на всех этапах жизнедеятельности клетки и многоклеточного организма в процессе биосинтеза. Основанием для доказательства реализации наследственной информации в процессе биосинтеза послужили исследования американских ученых Дж. Бидла и Э.Л. Татума в 1941 – 1944 гг., которыми были получены мутантные штаммы плесневого гриба нейроспоры. Их различие состояло в утрате способности к синтезу той или иной аминокислоты и потере свойства синтезировать соответствующий ферментативный белок. Исследования показали, что каждый ген контролирует синтез одного соответствующего фермента («один ген – один фермент») и реализация наследственной информации осуществляется в процессе синтеза. Ген, локализованный на определенном участке молекулы ДНК, контролирует синтез первичной молекулы белка, представляющей собой полипептидную цепь, специфичность которой зависит от порядка чередования в ней аминокислот. Белкам принадлежит исключительно важная роль в жизнедеятельности каждой клетки и всего многоклеточного организма. Они участвуют в построении мембран, хроматина, рибосом, митохондрий, являются составной частью сложных белков. В качестве ферментов и гормонов они управляют всеми процессами в клетке и в многоклеточном организме. Подавляющее большинство метаболических реакций, от которых зависит развитие признака или свойства, находится под контролем ферментов и, следовательно, генов. Первичная молекула белка представляет собой цепочку, состоящую из 100 – 300 различных аминокислот и более, порядок чередования которых определяет специфичность данной молекулы: каждая из 20 аминокислот может встречаться многократно, но местонахождение контролируется ДНК. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 83/235 В настоящее время для многих молекул белка установлена их первичная структура, то есть порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура белковой молекулы зависит от первичной: аминокислоты в полипептидной цепи соединяются водородными связями между NH- и CO- группами, в результате чего она свертывается в так называемую альфа-спираль. Образование больших альфа-спиральных участков характерно для фибриллярных белков. В молекулах ферментов спиралеобразных участков значительно меньше. Третичная структура белковых молекул образуется в результате связывания так называемыми дисульфидными мостиками (S – S) двух цистеиновых остатков аминокислот. Это определяет специфическое пространственное расположение полипептидных цепей. Четвертичная структура белковых молекул характеризуется тем, что они состоят из двух – четырех различных, стабильно соединенных полипептидных цепей. Такая структура характерна для глобулярных белков, в том числе и для многих ферментов. Вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых молекул зависят от числа и порядка чередования аминокислот в полипептидной цепи, то есть от первичной структуры. Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он осуществляется под контролем молекулы ДНК, которая таким образом реализует закодированную в ней наследственную информацию. Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трех видов рибонуклеиновых кислот: информационной (матричной) – иРНК (мРНК), рибосомальной – рРНК и транспортной – тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 84/235 Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырех азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин и урацил. Азотистое основание – урацил – комплементарно аденину. Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов – транскрипцию, сплайсинг и трансляцию. Первый этап называется транскрипцией (от англ. transcription – переписывание, копия). Транскрипция происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является РНК-полимераза. Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции – промотора. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез мРНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК, а также антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК. В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5´-конца к 3´-концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3´-концом. Такую цепь называют кодогенной. . Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 85/235 Антипараллельность соединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК позволяет РНК-полимеразе правильно выбрать матрицу для синтеза мРНК. Продвигаясь вдоль кодогенной цепи ДНК, РНК-полимераза осуществляет точное постепенное переписывание информации до тех пор, пока она не встречает специфическую нуклеотидную последовательность – терминатор транскрипции. В этом участке РНК-полимераза отделяется как от матрицы ДНК, так и от вновь синтезированной мРНК. Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор, образует единицу транскрипции – транскриптон. Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК – предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Так, например, в одном гене – участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы – 13 интронов. Длина интрона бывает различной – от двухсот до тысячи пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому промРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. Созревание, или процессинг мРНК предполагает модифицирование первичного транскрипта и удаление из него некодирующих интронных участков с последующим соединением (сплайсингом) (от последовательностей англ. splice – сращивать) кодирующих – экзонов. В ходе процессинга из про-мРНК Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 86/235 специальными ферментами вырезаются интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена. Значение и функции интронов до сих пор еще не совсем выяснены, но установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы гена овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем в про-мРНК число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем – до 5600, 4850, 3800, 3400 и т.д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипептид. Следующий этап биосинтеза – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК. Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 75 – 95 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. В ней выделяют четыре части которые имеют особо важное значение. Акцепторный «стебель» образуется путем комплементарного соединения двух концевых частей тРНК. Он состоит из семи пар оснований. 3´-конец этого стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной OH-группой. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно нуклеотидов, которые заканчиваются спаренные последовательности неспаренными участками, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 87/235 образующими петли. Средняя из этих ветвей – антикодоновая – состоит из пяти пар и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон – это три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида. Между акцепторной и антикодоновой ветвями располагаются две боковые ветви. В своих петлях они содержат модифицированные основания – дигидроуридин (D-петля) и триплет ТψС, где ψ – псевдоуридин (ТψС-петля) Между антикодоновой и ТψС-ветвями содержится дополнительная петля, включающая от 3 – 5 до 13 –21 нуклеотидов. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому. Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам – рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30 х 30 х 20 нм, у эукариот – 40 х 40 х 20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) – скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерии кишечной палочки рибосома имеет величину 70S и состоит из двух субчастиц, одна из которых имеет константу 30S, вторая 50S, и содержит 64% рибосомальной РНК и 36% белка. Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) – АУГ -. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 88/235 другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5 – 20) рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называют инициацией, рост ее – элонгацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодоновтерминаторов – УАА, УАГ или УГА. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией. Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У бактерий этот процесс протекает в два-три раза быстрееСледовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы – полипептидной цепи – происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте – мРНК. Биосинтез белка (трансляция) – важнейший этап реализации генетической программы клеток, в процессе которого информация, закодированная в первичной структуре нуклеиновых кислот, переводится в аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Иными словами, трансляция – это перевод четырехбуквенного (по числу нуклеотидов) «языка» нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный (по числу протеиногенных аминокислот) «язык» белков. Перевод осуществляется в соответствии с правилами генетического кода. Рядом исследователей (Г. Гамов, Ф. Крик, С. Бреннер, Г. Виттман и др.) в 50 – 60-е годы была разработана и экспериментально подтверждена концепция генетического кода. Установлено, что «буквой» языка наследственной информации служит нуклеотид ДНК или РНК, «словом», соответствующим определенной аминокислоте в нити белка, - три Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 89/235 нуклеотида (триплет или кодон), а «фразой» – то количество триплетов, которому соответствует полипептидная нить белка. Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М. Ниренберга и Дж. Маттеи, а затем С. Очоа и Г. Кораны, начатые ими в 1961 г. в США. Они разработали метод и экспериментально установили последовательность нуклеотидов в кодонах мРНК, контролирующих местоположение данной аминокислоты в полипептидной цепи. В бесклеточную среду, содержащую все аминокислоты, рибосомы, тРНК, АТФ и ферменты, Ниренберг и Маттеи вводили искусственно синтезированный биополимер типа мРНК, представляющий собой цепочку одинаковых нуклеотидов – УУУ – УУУ – УУУ – УУУ – и т.д. Биополимер кодировал синтез полипептидной цепи, содержащей только одну аминокислоту- фенилаланин; такая цепь называется полифенилаланином. Если мРНК состояла из кодонов, содержащих нуклеотиды с азотистым основанием цитозин –( - ЦЦЦ – ЦЦЦ – ЦЦЦ –ЦЦЦ - ), то синтезировалась полипептидная цепь, содержащая аминокислоту пролин, - полипролин. Искусственные биополимеры мРНК, содержащие кодоны – АГУ – АГУ – АГУ – АГУ - , синтезировали полипептидную цепь из аминокислоты серин – полисерин и т.д. Этот метод позволили в начале 60-х годов полностью расшифровать генетический код и определить его свойства. Генетический код и его свойства 1. Генетический кодирует код триплет триплетный. нуклеотидов. Каждую Сочетание аминокислоту из четырех нуклеотидов (А, Г, Т, Ц) по три дает 64 триплета в ДНК. Это позволяет закодировать все 20 аминокислот необходимых для синтеза любой полипептидной цепи. В трехбуквенном генетическом коде наиболее важные первые две буквы, тогда как третья буква часто бывает разной. Так, например, глицин Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 90/235 кодируется четырьмя синонимическими кодонами: ГГА, ГГС, ГГГ и ГГУ. В связи с преобладающей ролью первых двух букв кодонов (считая с 5´-конца триплета мРНК) генетический код иногда называют квазидуплетным (псевдодуплетным). Эта особенность кода позволяет использовать меньшее число тРНК: для взаимодействия с 61 кодоном достаточно 31 тРНК в цитоплазме и всего 22 тРНК в белоксинтезирующей системе митохондрий животных. 2. Генетический код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом – метионин (АУГ) и триптофан (УГГ). Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5´, является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин. Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются терминаторами (стоп-кодонами) синтеза. Когда считывание генетической информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы. 3. Генетический код специфичен. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. 4. Генетический код универсален, т.е. един для всех живущих на Земле организмов – от бактерий до человека. Небольшие отличия имеются, однако, в генетическом коде митохондрий и хлоропластов. Нет никаких данных о том, что когда-либо существовали организмы с другим кодом или другими аминокислотами. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 91/235 5. Генетический код также характеризуется непрерывностью и неперекрываемостью кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета. 6. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое последовательностями кодонов соответствие нуклеиновых между кислот и аминокислотами полипептидных цепей. Таким образом, в каждой клетке в молекулах ДНК закодирована вся генетическая информация, которая может быть реализована в онтогенезе через биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и морфологических признаков. ТЕМА: Ген как единица наследственности Содержание и методика занятия. В представлении Г. Менделя единицей наследственности был фактор, контролирующий проявление в доминантном или рецессивном состоянии одного признака. В дальнейшем понятия о гене были развиты в работах Т. Моргана, который показал, что ген — это локус (участок) хромосомы, занимающий в ней строго определенное положение. Очень четко характеристики гена были описаны М. Е. Лобашевым: 1. в своем действии ген дискретен; он определяет присутствие или отсутствие отдельной биохимической реакции, степень развития или подавления определенного признака организма; 2. ген действует градуально; накопление дозы его в соматических клетках может приводить к усилению или ослаблению проявления признака; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 92/235 3. каждый ген специфичен в своем действии, то есть отвечает за синтез первичной структуры белковой молекулы; 4. ген может опосредованно воздействовать на течение разных реакций и развитие многих признаков организма, то есть действовать множественно; это явление носит название множественного, или плейотропного, эффекта гена; 5. разные гены, находящиеся в различных парах хромосом, могут действовать однозначным образом на развитие одного и того же органа или свойства организма, усиливая или ослабляя его; это так называемые множественные, или полимерные, гены (полигены); 6. ген вступает во взаимодействие с другими генами, и в силу этого его эффект может изменяться; 7. проявление действия гена зависит от факторов внешней среды; 8. гены взаимодействуют теми продуктами, которые они детерминируют и контролируют в процессе их синтеза. В современном понимании ген — это функциональная единица молекулы ДНК, контролирующая последовательность аминокислот в кодируемой полипептидной цепи. Специфичность гена определяется числом нуклеотидов и их уникальной последовательностью. Ген имеет определенную величину, выраженную числом нуклеотидов и молекулярной массой. Ген, кодирующий синтез полипептидной цепи, называется структурным. Он является составной частью оперона, имеет сложную систему регуляции, осуществляемой акцепторными генами. Для каждого структурного гена характерна уникальная последовательность нуклеотидов, позволяющая его идентифицировать. Структурный ген является целостной дискретной единицей, кодирующей синтез одной полипептидной цепи. Любое изменение порядка Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 93/235 чередования нуклеотидов — выпадение, добавление или замена хотя бы одного нуклеотида — инактивирует структурный ген или изменяет его функцию. Акцепторные гены каждого оперона обладают высокой специфичностью, к ним могут присоединяться только определенные молекулы белка, в том числе белок-репрессор, подавляющий активность структурных генов, Сар-белок, а также ферментативные белки, обеспечивающие репликацию и транскрипцию. Доля структурных и акцепторных генов в общей ДНК в геномах разных организмов колеблется от 98 до 15 %. Остальная часть ДНК генома получила название избыточной ДНК. Особенно много избыточной ДНК содержится в геномах растений. Для избыточной ДНК характерно наличие повторов — одинаковых последовательностей нуклеотидов. Р. Бриттен и Д. Кон в 1968 г. установили, что у мыши 70 % ДНК составляют уникальные последовательности нуклеотидов, а 30 % — повторы; у человека — 66 % — уникальные последовательности, а 34 % — повторы. Повторы ДНК у эукариот могут иметь различную природу. Некоторые структурные гены, имеющие уникальную последовательность нуклеотидов, могут быть представлены несколькими копиями. Гены, кодирующие гистоны, — основные белки, входящие в состав хромосом, в молекуле ДНК представлены различным числом копий, например в геноме мыши содержится 30 структурных генов, кодирующих гистон Н4. У животных имеются повторы структурных генов, кодирующих глобин, иммуноглобулин, интерферон и другие жизненно важные молекулы белка. Среди повторов генов имеются нефункционирующие гены, которые из-за выпадения или добавления нуклеотида потеряли способность синтезировать мРНК. Их называют псевдогенами. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 94/235 Особенно многократно в молекуле ДНК встречаются повторы структурных генов, контролирующих синтез рибосомальной и транспортной РНК. Так, в гаплоидном геноме лягушки имеется около 8000 генов тРНК, в геноме курицы — около 100 генов рРНК, в геноме дрозофилы их около 130. В ДНК геномов содержатся и другого рода повторы. Они представляют собой короткие последовательности нуклеотидов, каждый из которых содержит около 300 нуклеотидных пар, а также 40000-80000 повторов В1, содержащих приблизительно по 140 нуклеотидных пар. В составе избыточной ДНК у эукариот в довольно большом количестве содержатся последовательности нуклеотидов, генетическая роль которых пока еще остается невыясненной. Они получили название сателлитной ДНК, которая представляет собой последовательности, состоящие из нескольких нуклеотидных пар. У мыши они состоят из 6 пар нуклеотидов, в том числе 5 пар АТ и пары ЦГ; у морской свинки сателлитная ДНК состоит из 6 пар нуклеотидов, в том числе 3 пар ЦГ и 3 пар ТА, АГ и АТ. Блоки (кластеры) сателлитной ДНК преимущественно сосредоточены в гетерохроматиновых районах хромосом, расположенных около центромеры. ТЕМА: Регуляция активности генов Содержание и методика занятия. Изучение химического состава клеток, полученных из разных тканей одного многоклеточного организма, показывает, что каждая из них содержит разный, относительно небольшой набор белковых молекул, хотя все они имеют одинаковый набор хромосом и, следовательно, единую генетическую информацию. Более того, биохимический анализ показал, что в различные периоды жизнедеятельности клетки комплекс ферментов у нее бывает разный. Все это дало основание предположить, что в клетке имеется механизм, регулирующий активность генов, определяющий какие гены в данный момент должны быть активными и каким следует находиться а неактивном, репрессированном состоянии. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 95/235 Механизм регуляции генетического кода был открыт французскими учеными Ф.Жакобом и Ж.Моно в 1961 г. на бактериях E.coli и получил название механизма индукции – репрессии. Было установлено, что синтез соответствующих белков – ферментов – индуцируется веществом, служащим субстратом и необходимым для нормальной жизнедеятельности клетки. Так, например, для нормальной жизнедеятельности E.coli необходим молочный сахар (лактоза) и в ее геноме содержатся гены, контролирующие синтез ферментов, гидролизующих лактозу до простых соединений. Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены пребывают в репрессированном состоянии и не функционируют. Внесенная в среду лактоза будет тем индуктором, который включает в работу длинные гены, и в клетке начинается синтез ферментов, гидролизующих лактозу до более простых соединений. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается. Роль репрессора может выполнять и вещество, синтезируемое в клетке, если содержание его превышает норму. Например, если синтезируются нуклеотиды, аминокислоты, и другие вещества и содержание их превышает количество, необходимое данной клетке, каждое из них может быть репрессором и подавлять работу генов, синтезирующих ферменты, необходимые для данного биохимического процесса. Механизм индукции-репрессии обеспечивает включение (индукцию) в работу тех генов, которые синтезируют необходимые на данном этапе жизнедеятельности клетки ферменты. Работа генов прекращается (репрессируется), когда деградируемый данными ферментами субстрат израсходован или когда синтезируемое данными ферментами вещество находится в избытке. У высших организмов процесс регуляции работы генов осуществляется более сложно: у животных важную роль в этом процессе играют гормоны, клеточные мембраны; у растений – условия внешней среды, в том числе и окружающие клетки. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 96/235 Раскрытие механизма регуляции генетического кода показало сложное строение локализованного в молекуле ДНК генетического аппарата. Гены, непосредственно кодирующие синтез соответствующих ферментов, называют структурными генами. Они входят в состав оперона, работу которого регулирует ген-регулятор. Как правило, структурные гены в опероне находятся в состоянии репрессии. Ген-регулятор расположен на особом участке молекулы ДНК и кодирует синтез специального белка, называемого репрессором. Работой структурных генов управляют находящиеся в опероне гены, не имеющие кодирующих функций. Их называют акцепторными генами. Система акцепторных и структурных генов образует единицу генетической регуляции или оперон. Акцепторные гены служат местом прикрепления различных белков, регулирующих работу структурных генов. Если лактоза, проникая в клетку (ее в данном случае называют индуктором), блокирует белки, кодируемые геном-регулятором, то они теряют способность присоединяться к генуоператору. Ген-оператор переходит в активное состояние и включает в работу структурные гены. РНК-полимераза с помощью Cap-белка присоединяется к промотору и, продвигаясь вдоль оперона, синтезирует промРНК. При транскрипции мРНК считывает генетическую информацию со всех трех структурных генов в одном опероне. При трансляции на рибосоме происходит синтез трех разных полипептидных цепей, в соответствии с содержащимися в мРНК кодонами – последовательностями нуклеотидов, обеспечивающих инициацию и терминацию трансляции каждой цепи. Тип регуляции работы генов, рассмотренной на примере лактозного оперона, называется негативной индукцией синтеза белка. Другим типом регуляции работы генов служит негативная репрессия, изученная у E.coli на примере trp-оперона, контролирующего синтез аминокислоты триптофана. Этот оперон состоит из 6700 пар нуклеотидов и содержит 5 структурных Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» генов, ген-оператор и два промотора. Ген-регулятор Лист 97/235 обеспечивает постоянный синтез регуляторного белка, который не влияет на работу trpоперона. При избытке в клетке триптофана последний соединяется с регуляторным белком и изменяет его таким образом, что он связывается с опероном и репрессирует синтез соответствующей мРНК. Известна также и так называемая позитивная индукция, когда белковый продукт гена-регулятора активирует работу оперона, то есть, является не репрессором, а активатором. Деление это условно, и строение акцепторной части оперона, действие гена-регулятора у прокариот весьма разнообразны. Число структурных генов в опероне у прокариот колеблется от одного до двенадцати; оперон может иметь либо один, либо два промотора и терминатора. Все структурные гены, локализованные в одном опероне, как правило, контролируют систему ферментов, обеспечивающих одну цепь биохимических реакций. Несомненно, что в клетке существуют системы, согласующие регуляцию работы нескольких оперонов. Схема регуляции генетического кода и работы генов, установленная для прокариот, в основе своей вполне приемлема и для объяснения данного процесса у эукариот, но имеются и существенные различия. В связи с особенностями организации отдельных генов эукариот и генома в целом регуляция генной активности у них характеризуется некоторыми отличиями по сравнению с прокариотами. У эукариот не обнаружено организации генов по типу оперона. Установлено, что функционирование генов, несомненно, подчиняется регуляторным воздействиям, однако регуляция транскрипции у эукариот является комбинационной, т.е. активность каждого гена регулируется большим спектром генов-регуляторов. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 98/235 У эукариотических генов имеется несколько областей, которые узнаются разными белками-регуляторами. Одной из них является область, расположенная недалеко от промотора. Она включает около ста пар нуклеотидов, в том числе ТАТА-блок, располагающийся на расстоянии 25 пар нуклеотидов от точки начала транскрипции. Установлено, что для успешного присоединения РНК-полимеразы к промотору необходимо предварительное соединение с ТАТА-блоком особого белка – фактора транскрипции – с образованием стабильного транскрипционного комплекса. Именно этот комплекс ДНК с белком узнается РНК-полимеразой. Последовательности нуклеотидов, примыкающих к ТАТА-блоку, формируют требуемый для транскрипции элемент, расположенный перед промотором. Другая область, играющая важную роль в регуляции генной активности эукариотических генов, располагается на большом расстоянии от промотора (до нескольких тысяч пар нуклеотидов) и называется энхансером (от англ. enhance – усиливать). И энхансер, и препромоторный элемент эукариотических генов содержат серию коротких нуклеотидных последовательностей, которые связываются с соответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействия этих белков происходит включение или выключение генов. Особенностью регуляции экспрессии эукариотических генов является также существование белков-регуляторов, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белкирегуляторы. В связи с этим белки-регуляторы обладают координирующим влиянием на активность многих генов и их действие характеризуется плейотропным эффектом. Примером может служить существование белка, который активирует транскрипцию нескольких специфических генов, определяющих дифференцировку предшественников жировых клеток. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 99/235 Активная работа структурных генов у эукариот зависит от того, какую функцию выполняет клетка в соответствующих тканях или органах. Значительная часть генов в ядрах дифференцированных клеток находится в репрессированном состоянии, при этом регуляция генной активности связана с образованием стойкого комплекса ДНК с белками – хроматина. Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам, поэтому они, несомненно, участвуют и в процессах регуляции генной активности. Непременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является предварительная декомпактизация хроматина на соответствующем участке, где временно утрачивается связь с Н1-гистонами и несколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами. Правда, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становится возможным и происходит дерепрессия гена. Условно структурные гены эукариот могут быть по их активности подразделены на несколько типов. К первому типу могут быть отнесены гены, функционирующие во всех клетках организма. Это гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ферменты, необходимые для синтеза аминокислот, а также гены, контролирующие образование мембранных и других структурных белков. Ко второму типу можно отнести гены, функционирующие в клетках тканей одного типа, например гены, контролирующие синтез миозина в мышечных клетках, коллагена – в костях и т.д. К третьему типу могут быть отнесены гены специализированных клеток, выполняющие важные, но узкие функции – синтез глобина в эритроцитах, гормонов в эндокринных железах и т.д. О работе генов обычно судят по типам мРНК, находящихся в цитоплазме. В одной клетке животных содержится от10 до 20 тыс. разных мРНК, но большая часть из них представлена небольшим (порядка 10) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» числом копий, что свидетельствует о слабой Лист 100/235 работе генов, их синтезирующих. И только 10% типов мРНК, то есть около 1 – 2 тыс., имеют от 1000 до 150 тыс. копий, что свидетельствует об активной работе соответствующих генов. Число типов мРНК и их копий зависит от функции клетки. Наибольшее разнообразие мРНК содержится в клетках мозга. Характерно, что в отличие от прокариот мРНК в клетках эукариот может сохраняться довольно продолжительное время, не теряя своих функций. Так, например, у животных ряд типов мРНК синтезируется в оогенезе, сохраняется в яйцеклетке и начинает функционировать на рибосомах после оплодотворения, оказывая значительное влияние на эмбриональное развитие. Несомненной особенностью регуляции транскрипции у эукариот является подчиненность этих процессов регулирующим влияниям со стороны гормонов организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Так, некоторые стероидные гормоны обратимо связываются особыми белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает способность соединяться со специфическими участками хроматина, ответственными за регуляцию активности генов, в которых рецепторы узнают определенные последовательности ДНК. Специфичность регулирующего воздействия гормона на транскрипцию обусловлена не только природой самого гормона, но и природой клеткимишени, синтезирующей специфический белок-рецептор, который влияет на транскрипцию определенного для данной клетки набора генов. Примером участия гормонов в регуляции активности определенных генов может служить влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-рецептора. Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает возможности гормону Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 101/235 проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение определенного набора генов: развивается синдром тестикулярной феминизации, или синдром Морриса. У эукариот возможно регуляция синтеза белка на уровне трансляции. При этом имеют значение типы тРНК и ферментов, активирующих соответствующие аминокислоты, а также вырожденность генетического кода. Большая часть аминокислот кодируется несколькими триплетами, получившими название изоакцепторных кодонов. Одна и та же аминокислота может доставляться на мРНК несколькими типами тРНК. Так, кодирование аминокислоты аргинин может происходить посредством кодонов ЦГЦ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, АГА, АГГ. Процесс трансляции зависит также от состояния тРНК, рибосом, наличия или отсутствия соответствующих ферментов, в том числе и способных, модифицировать готовые белковые молекулы. Регуляция на стадии трансляции является наиболее экономичной, но недостаточно быстро реагирующей на изменение ситуации. Так, возникшая в клетке потребность в каком-либо белке не может быть быстро удовлетворена путем включения транскрипции соответствующего гена. Синтезированный транскрипт должен подвергнуться процессингу, затем зрелая мРНК должна выйти из ядра в цитоплазму и, образуя комплекс с рибосомами, осуществить трансляцию информации, синтезировав пептид, который, лишь пройдя посттрансляционное изменение, формирует активный белок, необходимый клетке. В том случае, когда клетке нужно прекратить синтез какого-то продукта, после выключения транскрипции соответствующего гена в цитоплазму некоторое время будут продолжать поступать созревающие молекулы мРНК, осуществляющие там синтез пептидных цепей, пока они не деградируют под действием ферментов. Таким образом, для эффективной регуляции экспрессии генов у эукариот должны существовать механизмы, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 102/235 работающие не только на стадии транскрипции, но и на других этапах этого процесса. Из приведенного следует, что молекула ДНК в процессе биосинтеза осуществляет реализацию наследственной информации. Этот процесс, несмотря на некоторые особенности, характерные для прокариот и эукариот, является, по сути, единым для всего органического мира путем воплощения наследственной информации в свойства и признаки. ТЕМА: Генетика микроорганизмов Содержание и методика занятия. Изучению точной природы генетического материала и механизмов наследственной передачи способствовали работы с микроорганизмами. Так, в 1928 г. бактериолог Ф. Гриффитс открыл явление трансформации у бактерий — пневмококков. Известно несколько штаммов пневмококка Diplococcus pneumoniae, различающихся по виду и размеру колоний, наличию или отсутствию плотной полисахаридной капсулы, защищающей их от фагоцитоза. При росте на питательной среде пневмококки, имеющие капсулу, образуют крупные гладкие колонии. Такие пневмококки, отнесенные к типу S (от англ. smooth — гладкий), являются возбудителем пневмонии у человека и некоторых животных, в том числе мышей. Другой штамм пневмококков не образует полисахаридную капсулу, и на поверхности питательной среды такие бактерии, отнесенные к типу R (от англ. rough — шероховатый), образуют мелкие шероховатые колонии. Бескапсульные пневмококки непатогенны, поскольку быстро уничтожаются путем фагоцитоза в организме зараженного животного или человека. Таким образом, когда Ф. Гриффитс вводил мышам пневмококки типа S, они заболевали пневмонией. При введении пневмококков типа R мыши пневмонией не болели. При введении мышам пневмококков типа S, но предварительно убитых нагреванием, мыши также не заболевали пневмонией. Но когда Ф. Гриффитс смешал убитые Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 103/235 нагреванием бактерии штамма S и живые бактерии штамма R и ввел их мышам, те заболели пневмонией. В выделенных у больных мышей пневмококках помимо пневмококков штамма R обнаружили живые пневмококки штамма S. В экспериментах Гриффитса было установлено существование некоего «трансформирующего начала», превращающего клетки пневмококков типа R в клетки типа S. Однако химическая природа вещества, обеспечивающего стойкое, наследуемое в потомстве превращение бактерий одного типа в другой не была выявлена. В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти установили, что фактором генетической трансформации у пневмококков служит ДНК. Было выяснено, что при добавлении белка капсулообразующих пневмококков в питательную среду с бескапсульными бактериями трансформации признака не происходит. Если же в среду, содержащую бескапсульные бактерии, добавляли ДНК от капсульных бактерий, то получали эффект трансформации, при котором бескапсульные бактерии превращались в капсульные и появлялись гладкие колонии. Эффект трансформации прослеживался и был выявлен даже при разведении ДНК в миллион раз. Явление трансформации стало одним из основных доказательств роли ДНК как носителя наследственной трансформации. Вышеприведенные примеры свидетельствуют о том, что генетическим материалом живых организмов являются нуклеиновые кислоты, в большинстве случаев ДНК и, как исключение, РНК, находящаяся в РНКсодержащих вирусах. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 104/235 Системы генной рекомбинации у прокариот При изучении бактерий был открыт целый ряд явлений, которые позволили по-новому оценить источники наследственной изменчивости и механизмы наследственной передачи. Ранее мы указывали на опыты Ф. Гриффитса и О. Эвери, открывших явление трансформации. Сначала к этим исследованиям отнеслись скептически. Но вскоре многие исследователи поняли, что открыто не только новое явление, но и один из новых методов исследования наследственности. При генетической трансформации гены донора поступают в клетку бактерии-реципиента с ДНК, выделенной донором в окружающую среду. Хотя в итоге дело сводится к замещению гена-реципиента геном донора, однако трансформация проявляет черты биологически обусловленного процесса. Не все, а лишь некоторые, так называемые компетентные клетки, способны к трансформации. Этих клеток больше в период, предшествующий активному росту культуры, благодаря чему рекомбинация в этот период проходит более эффективно. Для трансформации, как правило, пригодна родственная ДНК того же вида, притом в нативной, неразделенной на одиночные нити форме. Лишь около одной трети захваченной ДНК включается в ДНК реципиента: повидимому, ферменты соответствующим образом «обрабатывают» поступивший фрагмент, в результате чего в ДНК встраивается целый ген. Это подтверждается тем, что трансформирующей способностью обладают фрагменты ДНК размером не менее 5 тыс. нуклеотидных пар, что примерно соответствует размеру гена. При трансформации ген донора включается в ДНК «хозяина» на место его гена, который вытесняется в цитоплазму «хозяина» и там прекращает свое существование. Трансформация показана и на клетках высших организмов, в том числе и на клетках человека. Включением ДНК Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 105/235 нормальных клеток в питательную среду генетически дефектных клеток, ферменты которых функционально неактивны, удается восстановить в них активность таких ферментов. Известно, что фаги могут быть литическими и умеренными. В отличие от литических фагов дефектные умеренные фаги не приводят к немедленному лизису клетки «хозяина». Продуктом их генной активности является белок-репрессор, который по принципу обратной связи прекращает транскрипцию и тем самым предотвращает формирование зрелых фаговых частиц. Клетка бактерии-хозяина, содержащая умеренные фаги, становится устойчивой, иммунной к заражению литическими фагами того же штамма. Умеренные фаги склонны встраиваться в ДНК бактерии-хозяина и существовать там в виде профага наподобие собственных генов бактерии. Если та или иная внешняя причина (действие ультрафиолетовых лучей или других стрессоров) оказывает влияние на такую лизогенную клетку, то белок-репрессор отделяется от ДНК профага и последний формирует зрелые фаговые частицы. Происходит лизис клетки, то есть ее гибель, после чего возможно новое заражение бактерий, и это приводит к образованию новых лизогенных клеток бактерий. Однако при выходе из ДНК хозяина дефектный умеренный фаг способен включить в свой генотип гены бактерии, как бы восполняя тем самым некоторую нехватку своих генов. При новом заражении бактериальной клетки, захваченной фагом, ген может включиться вместе с ним в ДНК бактерии и вытеснить соответствующий ген реципиента. Такое явление называется генетической трансдукцией (от лат. trans — далеко и ducto — веду). Оно было открыто в 1952 г. Н. Циндлером и Дж. Ледебергом на бактериях Salmonella typhimurium. В U-образную трубку, разделенную посередине бактериальным фильтром, были помещены бактерии штамма 22А, не способные синтезировать аминокислоту триптофан (Т~), и бактерии Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 106/235 штамма 2А, способные синтезировать данную аминокислоту (Т+). В среду был внесен бактериофаг. После совместного культивирования некоторые клетки штамма 22А приобрели способность синтезировать триптофан. Таким образом, было доказано, что бактериофаги могут служить переносчиками наследственной информации от бактерий одного штамма бактериям другого штамма. Умеренные фаги, включенные в клетку бактерии, могут быть причиной возникновения у нее новых свойств: появление белков-антигенов, способности расщеплять красители, гемолизировать эритроциты, вырабатывать токсины. Лизогенное состояние клетки может быть причиной болезней животных. Возможность включения чужеродных генов в хромосомы высших организмов рассматривается как причина некоторых заболеваний. Выше говорилось об индуцирующих рак онкорнави-русах. Помимо этих вирусов лизогенное состояние клеток хозяина могут вызывать лейкозо-саркомные вирусы птицы. Вероятна также лизогения вирусного происхождения при лейкозе крупного рогатого скота и других животных. Процесс прямого переноса ДНК непосредственно от одной клетки к другой при их контакте называется конъюгацией. В тех случаях, когда конъюгация происходит между определенными штаммами Е. coli, один из них выполняет функции донора, другой реципиента. Хромосомная ДНК донорской клетки образующемуся переходит между двумя в клетку реципиента клетками. Полный по мостику, перенос ДНК осуществляется примерно за 90 минут, однако в случае повреждения мостика конъюгация прерывается и перенос хромосомы оказывается неполным. Разные штаммы Е. coli начинают перенос с разных точек хромосомы. Следовательно, у различных доноров ранними или поздними генами во время конъюгации оказываются разные группы генов. Однако перенос генов всегда происходит только в одном из двух возможных противоположных Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 107/235 направлений кольцевой хромосомы Е. coli. Эти эксперименты впервые показали, что все гены кишечной палочки расположены в одной кольцевой молекуле ДНК. Сравнивая время, необходимое для переноса различных генов во время конъюгации, можно построить генетическую карту хромосомы Е. coli, то есть установить порядок следования хромосомных генов. Таким образом был доказан односторонний характер переноса генов при конъюгации и установлено, что она действительно представляет форму полового процесса простейших. Занятие № 4 ТЕМА: Мутационная изменчивость Содержание и методика занятия. Всем живым организмам, независимо от их генетической организации, наряду с наследственностью свойственна изменчивость. Под воздействием внутренних и внешних факторов в генетическом материале возникают изменения – мутации, определяющие мутационную изменчивость. Термин «мутация» был введен в генетику голландским ученым Г. де Фризом, который в течение многих лет (1886-1903) изучал явление наследственной изменчивости у растения энотеры (Oenothera lamarkiana). После тщательного обобщения своих наблюдений он разработал мутационную теорию, которую сформулировал в книге «Мутации и периоды мутаций при происхождении видов» (1901). Мутациями (от лат. mutatio – изменение, перемена) называют наследственные изменения признака, органа или свойства, обусловленные изменениями наследственных структур. Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом. Мутагенез может быть спонтанным, когда мутации возникают в природе без вмешательства человека, и индуцированным, когда мутации вызывают искусственно, воздействуя на организм специальными факторами, называемые Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 108/235 мутагенами. Растение, животное, микроорганизм, у которых произошла мутация, называют мутантами. Мутация (от лат. mutatio – изменение, перемена) - наследственное изменение признака, органа или свойства, обусловленное изменениями наследственных структур. Положения теории де Фриза 1. Мутация носит разовый скачкообразный характер, отражающий дискретную природу гена и, как следствие, объективные границы между биологическими видами; 2. Мутационные изменения имеют наследственный характер, тогда как модификационные изменения – ненаследственны; 3. Мутации происходят не в одном, а в разных направлениях, что соответствует представлениям разнонаправленной Ч. Дарвина (неопределенной) о значении изменчивости в эволюции. Особенности мутаций мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными; мутации возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный характер, могут быть рецессивными и доминантными одни и те же мутации могут возникать повторно; мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, могут быть ценными, полезными или вредными. Независимо от природы возникновения мутаций (спонтанные или индуцированные) и степени проявления их в признаке (доминантные, полудоминантные, рецессивные), все они классифицируются по характеру Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 109/235 действия гена, по степени вовлечения генома в мутационный процесс, по характеру проявления и в зависимости от направления мутирования. Вместе с тем, существуют и некоторые другие классификации мутаций. Так, различают мутации с разной степенью экспрессивности и пенетрантности (например, с полной или неполной пенетрантностью). По месту возникновения мутаций в клетке и организме их подразделяют: с одной стороны, на мутации ядерных генов и цитоплазматических органелл (митохондрий, пластид); с другой стороны, на соматические и генеративные мутации, возникающие в соматических либо в гаплоидных зародышевых клетках. Мутации ядерных генов не оказывают влияния на характер менделевских отношений расщепления. Мутации цитоплазматических генов обнаруживаются в нарушении строгих менделевских закономерностей наследования, так как мутантные органоиды распределяются в поколениях клеток случайным образом и размножаются несинхронно с делением ядра. Существенное различие соматических и генеративных мутаций заключается в том, что первые не передаются потомству и обусловливают мозаичность выражения признака у организма. Известным проявлением соматических мутаций являются пятна иной окраски на шкуре овец, мозаичность радужной оболочки глаз, родимые пятна и новообразования типа бородавок и т.п. В эволюционном аспекте Г. де Фриз выделял ретрогрессивные, дегрессивные и прогрессивные мутации. Ретрогрессивные мутации происходят из-за выпадения гена или перехода его в латентное состояние. Не следует, однако, рассматривать этот вид мутаций, как некий процесс вырождения. Такие мутации могут играть существенную приспособительную роль, сочетаясь с другими мутациями. Примером могут служить гельминты, у которых утрачены или недоразвиты Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 110/235 многие органы, однако чрезвычайно развита воспроизводительная система. У высших приматов соответственно образу жизни полезной оказалась утрата хвоста, у лошади – превращение многопалой конечности в однопалую, у коров – недоразвитие глаз. Дегрессивные мутации противоположны ретрогрессивным и характеризуются переходом гена в активное состояние. Дегрессивные мутации могут проявляться в разных условиях. К ним относятся альбинизм и его противоположность – окраска волоса у животных, рогатость и комолость, сменяющие друг друга в процессе последовательных актов мутирования. К прогрессивным мутациям относятся такие мутации, которые могут дать начало новым элементарным видам. По существу, по характеру действия гена, такие мутации можно отнести к неоморфным мутациям. Геномные мутации Полиплоидией называют геномную мутацию, обусловленную изменением числа хромосом в клетках кратно гаплоидному набору Полиплоидией называют геномную мутацию, обусловленную изменением числа хромосом в клетках кратно гаплоидному набору, а также процесс возникновения или создания геномных мутантов (полиплоидов). Явление кратного увеличения числа хромосом в клетках впервые было описано профессором МГУ И.И. Герасимовым (1890), наблюдавшим полиплоидию у водоросли спирогиры. В 1916 г. это явление наблюдал Г. Вниклер и дал ему название «полиплоидия». Полиплоидия в природе может возникнуть: а) из-за нарушения митоза, в результате которого происходит неравное расхождение хромосом в анафазе, отсутствие цитокинеза, нарушение функций митотического аппарата; б) в результате образования и слияния при оплодотворении нередуцированных гамет, образовавшихся при нарушении мейоза; в) за счет митотического деления зиготы или соматических клеток в начальные периоды эмбриогенеза. В зависимости от Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 111/235 того, в каких клетках происходит изменение числа хромосом, различают соматическую, мейотическую или зиготическую полиплоидию. Чаще всего полиплоиды возникают либо в результате слияния нередуцированных гамет (мейотическая полиплоидия), либо в результате нарушения первого деления зиготы (зиготическая полиплоидия). Полиплоидия – явление, широко распространенное в природе, особенно среди растительных организмов. Многие дикорастущие и культурные виды растений являются спонтанными полиплоидами. В зависимости от климатических условий произрастания число полиплоидных видов растений может колебаться от 35 до 85%. Многие виды покрытосеменных растений образуют полиплоидные ряды в пределах одного рода. Полиплоидным рядом называют виды одного рода, у которых число хромосом увеличивается кратно гаплоидному. Например, полиплоидный ряд пшеницы (род Triticum) содержит серию видов, четко различимых по числу хромосом: диплоидные виды (2n=14); тетраплоидные виды (2n=28) и гексаплоидные виды (2n=42). Гаплоидией называют мутации в результате которых возникают организмы с редуцированным (одинарным) числом хромосом. Геномная мутация, в результате которой возникают организмы с редуцированным (одинарным) числом хромосом, называется гаплоидией, а сами организмы – гаплоидами. В клетках гаплоидов содержится только половина соматического набора хромосом (n), присущего данному виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных половых клетках (гаметах). Гаплоиды могут возникать спонтанно и могут быть получены индуцированно. Гаплоиды партеногенетически и бесплодны, сохраняться при но могут вегетативном размножаться размножении. Гаплоидные мутации используют в селекции высших растений. Если у гаплоида удвоить число хромосом с помощью раствора колхицина или Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 112/235 другим методом, то можно получить гомозиготное по всем генам, нормально плодовитое диплоидное растение. Гаплоидия у животных может возникнуть при стимулировании яйцеклетки различными факторами к дроблению. Так, тепловая активация оказалась успешным способом получения гаплоидов у червей, моллюсков и лягушек. У лягушек и кроликов гаплоиды были получены также с помощью умеренного травмирования яйцеклетки. Однако у позвоночных гаплоидия не способствует полноценному развитию. У тутового шелкопряда и рыб гаплоидов можно получать путем осеменения яйцеклеток облученной спермой. Гетероплоидия или анеуплоидия – это изменение числа хромосом некратно гаплоидному набору. Гетероплоидия или анеуплоидия – это общее изменение числа хромосом по отношению к диплоидному полному набору. Когда число хромосом в клетке увеличено на одну хромосому (2n+1), то такого гетероплоида принято называть трисомиком; больше на две хромосомы (2n+2) – тетрасомиком; меньше на одну хромосому (2n-1) – моносомиком; меньше на две хромосомы (2n-2) – нуллисомиком. Для удобства в генетике принято цифрой внизу указывать номер хромосомной пары в кариотипе, в которой изменилось число хромосом (например, 2n-17). Возникновение гетероплоидов происходит из-за следующих основных причин: 1. в результате отсутствия конъюгации гомологичных хромосом и образования унивалентов. Униваленты, как правило, не ориентируются надлежащим образом и могут отойти к одному полюсу; 2. в результате отхождения двух гомологичных хромосом к одному полюсу в анафазе I мейоза или в анафазе митоза; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 113/235 3. из-за отсутствия разделения хромосом на хроматиды, что приводит к нарушению их расхождения в дочерние клетки при втором делении мейоза. Анеуплоидию в растениеводстве используют для определения групп сцепления генов и для получения межсортовых замещенных линий и создания так называемых дополненных линий, одна пара хромосом у которых замещена идентичной парой гомологичных хромосом другого сорта, в которой содержатся гены, контролирующие хозяйственно полезные признаки. Для этого создается полный набор гетероплоидных форм по всем парам гомологичных хромосом. Впервые полные серии моносомиков и нуллисомиков были получены Э. Сирсом у мягкой яровой пшеницы сорта Чайниз Спринг (Китайская яровая) в 40-50-х годах прошлого века. Нуллисомики по разным парам гомологичных хромосом четко различаются по высоте растений, морфологическому строению, величине и стерильности колоса, поэтому можно определить локализацию генов в соответствующих хромосомах. У животных, особенно высших, гетероплоидия вызывает серьезные изменения в процессе онтогенеза и обусловливает также появление типичных для каждой хромосомы признаков. Гетероплоиды у животных встречаются обычно только в случаях увеличения или уменьшения числа мелких хромосом. Изменение же числа крупных хромосом вносит очень серьезные нарушения в процесс развития и организм, как правило, погибает. Анеуплоидия у животных часто встречается в виде трисомии ХХY и полисомии (ХXYY, XXXY, XXXXY и др.), которые относят к синдрому Клайнфельтера. Синдром трисомии XXY выявлен у собак, у котов черепахового окраса шерсти, у свиней. Особи, обладающие данным синдромом, имели ряд физиологических и анатомических аномалий. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 114/235 Анеуплоидия в виде моносомии Хо получила название синдрома Тернера. Он описан у мыши и козы. У животных обнаружен так называемый синдром Дауна, который является следствием нерасхождения аутосомных хромосом, приводящего к аутосомной трисомии. Например, у крупного рогатого скота описана трисомия по 18, 19 и 23 аутосомам. Фенотип таких особей характеризуется укорочением костей верхней челюсти, карликовостью, половой неполноценностью. Ряд случаев гетероплоидии, сопровождающейся возникновением аномалий (уродств), выявлен и у человека. Установлено, что хромосомные нарушения определяют мертворождение или смерть новорожденных в течение первого и последующих лет жизни. Вместе с тем, в некоторых случаях рождаются и живут относительно продолжительное время детитрисомики по какой-либо хромосоме, но во всех случаях трисомия вызывает пороки развития. Наиболее часто встречается у новорожденных синдром, или болезнь, Дауна, обусловленная трисомией по 21-й хромосоме. Частота встречаемости в среднем составляет около 1 случая на 700-800 рождений. Трисомия по этой хромосоме бывает причиной ряда пороков развития: пороки сердца, пищеварительного тракта, патология в форме головы и лица, разболтанность суставов, умственная отсталость. Причиной трисомии является неравное расхождение хромосом в мейозе у одного из родителей, чаще – у матери. Причин нарушения мейоза может быть много, в том числе и возраст матери, как это установлено для синдрома Дауна. Выявлено, что у матерей 45 лет и старше встречаемость рождения детей-трисомов почти в 100 раз чаще, чем у молодых. В 1960 г. впервые был описан синдром Патау – тяжелое заболевание, обусловленное трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости – 1:5000-7000 новорожденных. При этом наблюдаются высокая ранняя Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 115/235 смертность, пороки головного мозга и лица, полидактилия (многопалость), пороки внутренних органов, в том числе перегородок сердца. Отмечены весьма разнообразные случаи гетероплоидии у человека по половым хромосомам. По данным Н.П. Кулешова, частота их встречаемости около 1,6:1000 рождений. Моносомия по Х-хромосоме обусловливает синдром Шерешевского-Тернера. недоразвитие развития, половых низкий Для признаков, рост. Иногда него характерны врожденные встречается бесплодие, соматические трисомия по пороки половым хромосомам у мальчиков. Причем, если в кариотипе присутствует несколько дополнительных Х-хромосом и хотя бы одна Y-хромосома, рождаются мальчики. Частота таких рождений составляет 1,39-1,98 на 1000 рождений мальчиков. Отмечены случаи рождения мальчиков и с ди- и трисомией по Yхромосоме (синдром Клайнфельтера). В этом случае в начальный период развития у больных не наблюдается существенных аномалий, но для них, как правило, характерно бесплодие. Автополиплоидией называется кратное увеличение числа хромосом вида. Это геномная мутация, в результате которой возникают автополиплоиды. В зависимости от числа хромосомных гаплоидных наборов различают триплоиды, в клетках которых содержится 3n число хромосом, тетраплоиды (4n), пентаплоиды (5n), гексаплоиды (6n) и т.д. Автополиплоидия обусловливает изменение морфологических признаков и свойств, присущих исходным диплоидным растениям. У автополиплоидов в первую очередь увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество органоидов цитоплазмы – пластид, митохондрий, рибосом. Для каждого вида растений существует определенный оптимальный уровень плоидности, то есть такое кратное гаплоидному число хромосом, при котором растения имеют наиболее высокую жизнеспособность и продуктивность. Так, для сахарной свеклы и арбуза Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 116/235 оптимальным является триплоидный уровень (у арбуза 3n=33, у свеклы 3n=27), для ржи, гречихи, редиса, клевера, турнепса – тетраплоидный. У автополиплоидов крупнее листовые пластинки, лепестки венчика, пыльцевые зерна, семена; больше длина и толщина стебля по сравнению с растениями с диплоидным набором хромосом. Генные мутации Генными, или точковыми, мутациями называют изменения структуры молекулы ДНК на участке определенного гена, кодирующего синтез соответствующей белковой молекулы. Изучение механизма и причин возникновения генных мутаций на молекулярном уровне позволило установить следующий порядок изменений в структуре ДНК: 1) замена (транзиции и трансверсии) одних нуклеотидов на другие; 2) вставка или добавление отдельных нуклеотидов в цепочку ДНК; 3) делеция (потеря) отдельных нуклеотидов; 4) делеции групп оснований; 5) инверсия – поворот на 180° отдельных оснований; 6) транспозиции – перенос пар оснований внутри гена на новое место. Генные мутации могут возникать в результате выпадения или вставки нуклеотидных пар в молекуле ДНК на участке соответствующего гена или замены одного нуклеотида на другой, когда вместо тимина становится гуанин или вместо гуанина – аденин. Генные мутации могут возникать как в одном, так и в разных генных локусах хромосомы. В результате замены на участке структурного гена одной нуклеотидной пары другой, в результате чего кодируется включение в полипептидную цепь ошибочной аминокислоты. В этом случае в молекуле ДНК возникает новая аллель данного гена, происходит мутационное изменение фенотипического проявления признака. Это явление получило название множественного аллелизма. Аллели одного гена, возникшие в результате точковой мутации, называют множественными аллелями. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 117/235 Занятия 5 ТЕМА: Классификация мутаций по характеру действия гена и по фенотипу С развитием молекулярной генетики вновь приобрела актуальное значение классификация мутаций, основанная на оценке характера действия мутантного гена в отличие от его исходной формы. Данную классификацию разработал Г. Меллер (1927), согласно которой различают пять типов мутаций: Аморфные функционально мутации, неактивного которые генного приводят продукта, в к образованию результате чего контролируемый геном признак не развивается. К таким мутациям относятся альбинизм, безволосость и беззубость крупного рогатого скота и собак, отсутствие конечностей у свиней и овец, отсутствие оперения у цыплят, бесхвостость кур и мышей, а также других животных. Часто аморфная мутация летальна в гомозиготном состоянии гена, с чем связана эмбриональная гибель животных. В некоторых случаях утрата признака является биологически полезной для вида или породы. В частности, на фоне полярных снегов белая шерсть медведя и других животных весьма биологически полезна. У домашних кур утрачивается инстинкт насиживания яиц. Антиморфные мутации. Такие мутации существенно изменяют характер признака. Например, вместо одного характерного пигмента образуется другой либо вещество начинает выполнять противоположную функцию. Известно, что в ответ на действие ядов, которые соединяются с ферментами у насекомых-вредителей сельского хозяйства, возникают мутации, приводящие к превращению фермента в его аналог, способный разрушать контактный яд. Антиморфной мутацией является превращение потовых желез млекопитающих в молочные. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 118/235 Гиперморфные мутации. Иногда мутация усиливает выражение признака. Примерами служат случаи наследственного гигантизма. Размеры тела предков млекопитающих были сравнительно небольшими, позднее от них произошли мамонты и слоны, а также современные крупные сельскохозяйственные животные. Гиперморфная мутация на молекулярном уровне может приводить к отрицательным последствиям. Так, повышенная активность некоторых ферментов в клетках мышц вызывает дистрофию, недоразвитие мышц. В ряде других случаев гиперморфные мутанты нормально развиты и жизнеспособны. Таковы, например, продуценты антибиотиков и других продуктов (аминокислот, витаминов, и пр.), активность которых по сравнению с исходными формами может оказаться в сотни и более раз выше. Очевидно, гиперморфными мутациями обусловлена продуктивность сельскохозяйственных животных, способных давать более 25 тыс. кг молока за лактацию, сносить 365 яиц в год (куры), давать высокие приросты живой массы и т.д. Гипоморфные мутации, которые ведут к ослаблению выражения признака по сравнению с исходным типом. Такие мутации наиболее часты, так как любая мутация в большинстве случаев способна ухудшить проявление признака, нежели изменить его в лучшую сторону. Причина этого объясняется нарушением генного баланса, которое в той или иной степени вызывается любой мутацией. Гипоморфный эффект нередко развивается уже на молекулярном уровне и выражается в меньшей, чем у исходной формы, активности фермента, контролирующего развитие признака. Примерами гипоморфных мутаций могут быть: карликовость у животных, ослабление степени окраски волоса, недоразвитие органов, например глаз (микрофтальмия), головы (микроцефалия) и т.д. В гомозиготе гипоморфы могут быть летальны. Известным примером этого является летальность у породы декстер крупного рогатого скота. У лошадей, крупного Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 119/235 рогатого скота и свиней летальным действием обладает мутация, связанная с частичным недоразвитием кожи. Вместе с тем, следует подчеркнуть, что иногда гипоморфные мутации не вызывают отрицательных последствий в развитии их носителя, и тогда они представляют лишь элемент общего разнообразия данного признака в популяции. В зависимости от условий жизни ослабление окраски волоса может приобретать селективное значение (защитная окраска животного). В звероводстве варианты ослабления окраски волоса имеют и коммерческое значение, селекционеры используют гипоморфные мутации для создания новых форм с разнообразными оттенками того же цвета. Неоморфные мутации. Для таких мутаций характерно доминирование над исходной формой. Они прогрессивные и влияют на развитие нового признака. Несомненно, что эволюция совершала наиболее серьезные шаги с помощью таких прогрессивных неоморфных мутаций. Когда-то за счет таких мутаций произошло разделение органических форм. Растения со временем приобрели хлорофилл, животные – гемоцианин или гемоглобин. По отношению друг к другу это антиморфные мутации, но они неоморфны по отношению к тем формам, которые не имеют данных соединений. Неоморфные мутации, по видимому, привели к появлению хорды, позвоночника, головного мозга приматов. Хромосомые и генные мутации обусловливают изменение свойства, признака или органа у конкретной особи – у вируса, бактерии, растения, животного или человека. Мутации по фенотипическому проявлению принято классифицировать на морфологические, физиологические и биохимические. Морфологические мутации – это наследственные изменения в строении органов или отдельных признаков. У растений – изменение окраски листа, цветка, соцветия, строения и размера листовой пластинки, формы и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 120/235 окраски плодов и семян. У животных – изменение окраски меха, коротконогость, отсутствие шерстного покрова или оперения, курчавоперость (рис. 8.5.). У насекомых наиболее тщательно изучены морфологические мутации у дрозофилы. Физиологические мутации обусловливают понижение или повышение продуктивности или жизнеспособности особи, устойчивость или восприимчивость к болезням, факторам внешней среды, стрессам. К физиологическим мутациям относят также летальные и сублетальные мутации. Биохимические мутации вызывают изменения характера обмена веществ в организме, нарушающие или изменяющие синтез веществ, особенно ферментов, структурных белков, аминокислот, углеводов и других веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности. Например, у растений наиболее часто возникают хлорофилловые мутации: когда в хлоропластах нарушается синтез хлорофилла, листья приобретают желтозеленую или желтую окраску. Такая классификация условна, так как, различая биохимические, физиологические и морфологические мутации, следует иметь в виду, что в известном смысле физиологической, так любая как мутация изменение является гена биохимической приводит к и изменению биохимического процесса, контролируемого этим геном, и, следовательно, к изменению физиологии клетки и организма. При работе с сельскохозяйственными животными особое внимание уделяют появлению нежелательных, вредных, летальных или полулетальных мутаций (бесшерстность, беззубость, укорочение позвоночника, укорочение нижней челюсти, сращение ноздрей, недоразвитие мозжечка у крупного рогатого скота; изогнутость передних конечностей, частичное отсутствие кожи, бесшерстность у лошадей; отсутствие конечностей, волчья пасть, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 121/235 паралич задних конечностей, дефекты строения копыт у свиней; уродливый череп, отсутствие конечностей, бесшерстность, дефекты строения копыт у овец; коротконогость (ползающие куры), карликовость, отсутствие верхней или нижней части клюва, двупалость, отсутствие оперения, слепота у кур. Однако, кроме известных летальных и полулетальных мутаций в ряде случаев выявлены единичные случаи мутаций одного из генов: например, в Ульяновской обл. обнаружен в 2003г. самый необычный кот в мире с шестью лапами. Аналогичный мутант-бычок родился в 1998г. в Ярославской области. Бóльшая часть мутаций у животных обусловливает патологическое развитие органов. Вместе с тем, некоторые мутации используются человеком при создании новых пород, например, создание различных пород норок и лисиц, имеющих ценную окраску меха; разведение серых каракульских овец; создание мини-кур яичного и мясного направлений продуктивности с геном карликовости (dw) и т.д. Прямые и обратные мутации Прямые мутации происходят от нормальной формы к измененной, а обратные – наоборот, от измененной формы к нормальной (первоначальной). Чаще встречаются прямые мутации. Например, мутации синтеза триптофансинтетазы у кишечной палочки возникают как в прямом, так и в обратном направлении, причем из семи мутаций пять прямых и только две обратные. Обратные мутации в свою очередь подразделяют на истинные и супрессорные (внутригенные и межгенные). Истинные обратные мутации редки, так как, к примеру, для генных мутаций маловероятно замещение нуклеотида, обусловившего мутирование, на тот ген, который был в данном месте до прямой мутации. Маловероятно и возвращение мутировавшей хромосомы в исходное состояние (в случае делеции вообще на реально). Это справедливо для большинства геномных мутаций, особенно в случае утраты Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 122/235 тех или иных хромосом. Однако в большинстве случаев при обратных мутациях происходит не исправление мутантного локуса, а новый акт мутирования другого неаллельного гена, который осуществляет по отношению к мутантному аллелю супрессию, подавляет его действие. Супрессорные обратные мутации восстанавливают не исходный (дикий) тип, а псевдодикий тип. Внимательный анализ показывает, что между исходным типом и восстановленной к нему формой есть все же некоторые различия. Супрессорная обратная мутация проявляет и определенные собственные черты в анализируемом признаке. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Размах мутационной изменчивости каждого вида подчиняется закону гомологических рядов в наследственной изменчивости, установленному великим русским генетиком Н.И. Вавиловым. 1. Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линеоны (виды), тем полнее сходство в рядах их изменчивости. 2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство. Данный закон был установлен Н.И. Вавиловым для растений, но он полностью соответствует характеру мутационной изменчивости и у животных. Например, для всех видов млекопитающих характерно появление коротконогих и карликовых мутантов; для близких видов в пределах одного семейства или для животных близких семейств можно предсказать Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 123/235 возможность появления сходной окраски меха – белой, коричневой, серой, черной. Например, альбинизм зарегистрирован у многих видов (овец, коз, собак, кроликов, мышей и т.д.). Альбинизм должен быть обнаружен и у тех видов, у которых он до настоящего времени неизвестен. Генетический параллелизм в отношении наследственных аномалий обнаружен у человека и многих видов животных (табл. 8.6.). Так, аномаль полидактилия описана у человека, крупного рогатого скота, свиней, лошадей, кур и мышей. У человека известно более 2500 наследственных аномалий. У животных генетических аномалий изучено значительно меньше. Исходя из закона гомологических рядов, можно обнаружить в будущем подобные аномалии и у сельскохозяйственных животных. Индуцированный мутагенез и его практическое использование Индуцированные мутации впервые были получены в 1925г. в Ленинградском радиевом институте Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым на дрожжевых грибах. В 1927г. Г. Мëллер в США получил индуцированные мутации у дрозофилы в результате воздействия на насекомых лучами радия. С 1928г. Л. Стадлер начал использовать лучи Рентгена для получения мутаций у ячменя и кукурузы, Э. Баур и Г. Штубе – у львиного зева. Большая заслуга в развитии химического мутагенеза и создании химических супермутагенов принадлежит отечественному ученому И.А. Рапопорту (1968). Индуцированный мутагенез позволяет наиболее полно выявить возможности генотипа, создать генетические комбинации с учетом всех возможных изменений органов, признаков и свойств у данного вида. Мутации имеют исключительно важное значение при составлении генетических карт хромосом. Мутагены, вызывающие индуцированные мутации, подразделяют на три группы: физические, химические и биологические. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 124/235 1. Физические мутагены. Основными мутагенами этой группы являются: а) ультрафиолетовые лучи; б) повышенная температура; в) ионизирующие излучения – рентгеновские лучи, γ-лучи и β-частицы, протоны, нейтроны и другие факторы. Ультрафиолетовые лучи способны непосредственно отдавать энергию ДНК, в результате чего в ней происходят различные изменения, которые приводят к неправильной репликации и мутациям. Ионизирующие излучения вызывают мутации путем прямой ионизации облучаемой ткани либо опосредованной ионизацией, как это происходит при действии лучей Рентгена и гамма-квантов, энергия которых приводит к смещению электронов с их орбит. Вследствие облучения изменяется химизм клетки, в ней появляются высокоэнергетические соединения – свободные радикалы, происходят изменения в активности ферментов и т.д. Прямое и опосредованное в радиационно-химических реакциях действие излучений приводит к изменению в структуре ДНК – разрывам хромосом, сшивкам нитей двойной спирали ДНК и т.д. При этом возникают первичные изменения, которые мешают осуществлению нормальной репликации ДНК. В ходе репликации образуются нити с иной последовательностью нуклеотидов, что означает возникновение нового аллеля. Под действием ионизирующих излучений чаще всего возникают структурные перестройки хромосом и реже – генные мутации. Так, выявлено, что при облучении морских свинок и домашних свиней наблюдается различный спектр аберраций хромосом. Генные мутации возникают со значительно меньшей частотой, и среди них высок вклад летальных мутаций и мутаций пониженной жизнеспособности. В то же время использование излучений позволило создать высокопродуктивные сорта злаков (в первую очередь ячменя), повысить эффективность антибиотиков и других соединений, продуцируемых микроорганизмами и плесневыми грибами. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 125/235 Следует подчеркнуть, что ионизирующие облучения могут нарушить процессы деления в соматических клетках, вследствие чего возникают нарушения и злокачественные образования. Сильное облучение может вызвать смерть. 2. Химические мутагены. К данной группе мутагенов относятся вещества химической природы, способные индуцировать мутации. Выраженными мутагенными свойствами обладают отдельные химические вещества, используемые в промышленности и сельском хозяйстве. К наиболее сильным химическим мутагенам относятся: а) аналоги нуклеотидов ДНК (бромурацил, аминопурин и др.); б) акридиновые красители (профлавин, эуфлавин и т.п.); в) ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот, перекиси, алкалоиды (в том числе колхицин); г) некоторые неорганические соединения (соли тяжелых металлов, гидроксиламин, азотистая кислота); д) различные органические соединения, преимущественно ароматического ряда (в том числе канцерогены, инсектициды, гербициды); ж) алкилирующие соединения (в первую очередь супермутагены – нитрозоалкилмочевины, алкилсульфаты, алкилсульфонаты, этиленимины, эпоксиды). Каждый класс химических соединений обладает определенной специфичностью: аналоги нуклеотидов встраиваются на их место в цепь ДНК и изменяют характер репликации ДНК. Акридиновые красители, похожие на кольца азотистых оснований, вклиниваются между ними в цепь ДНК и вызывают мутации сдвига рамки чтения. Азотистая кислота дезаминирует основания, в результате чего цитозин становится подобен урацилу, что приводит к замене пары оснований Г-Ц на пару А-Т и т.д. Химические мутагены дают широкий спектр хромосомных аберраций. Среди органических химических соединений выделяют группу, так называемых супермутагенов – особо активных алкилирующих веществ, которые могут индуцировать в 5-50 раз больше мутаций по сравнению с Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 126/235 природной частотой возникновения мутаций. Супермутагены индуцируют широкий спектр мутаций, в том числе системные изменения на уровне таксономического вида. Воздействие нитрозоалкилмочевины привело к появлению вида индуцировали сферококкум ряд неоморфных из мягкой мутаций. пшеницы. Супермутагены Супермутагены оказались значительно эффективней излучений для создания различных мутантов, которые использует микробиологическая промышленность. В последнее время эти соединения успешно применяют для создания мутаций, повышающих активность биологических илов, очищающих сточные воды. Описаны случаи использования супермутагенов для вызова мутагенеза и у животных. Так, при воздействии на сперму кроликов супермутагенами выявлены изменения окраски шерсти и цвета глаз; при воздействии на карпа – утрата плавника и др. Однако широкое применение индуцированный мутагенез, вызванный физическими или химическими мутагенами, получен в селекции растений. При этом мутанты используют как для выведения новых сортов, так и в качестве родительских форм при гибридизации. Таким образом были созданы многие современные сорта и гибриды растений: Первенец подсолнечника, Новосибирский 67 яровой пшеницы, Горизонт и Киевский мутант люпина, Солярис фасоли, Краснодарский карлик 1 короткостебельной пшеницы и т.д. В настоящее время методом только химического мутагенеза создано более 100 сортов и гибридов культурных растений. В перспективе целенаправленный индуцированный мутагенез в сочетании с генной инженерией, очевидно, может стать мощным средством и в селекции животных. 3. Биологические мутагены. Простейшие живые организмы, вызывающие мутации у животных, составляют класс биологических мутагенов. К ним относятся вирусы, бактерии, а также гельминты, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 127/235 актиномицеты, растительные экстракты и др. Мутагенными свойствами обладают также живые вакцины. Мутагенное действие этих организмов связано с проникновением в клетки чужеродной ДНК. Биологические мутагены вызывают разнообразные мутации у животных. Например, при изучении кариотипа клеток телят, ягнят и поросят, зараженных вирусом свиной лихорадки, были обнаружены различные типы аберраций – делеции, хромосомные разрывы, фрагментацию, пульверизацию, полиплоидию и др. Установлено, что уровень аберраций хромосом зависел от дозы и продолжительности действия вируса. Экспериментально доказано, что многие лекарственные препараты, используемые в медицине и ветеринарии (сульфаниламиды, производные тиазинового ряда, нитрофураны и др.), обладают мутагенными свойствами. Такой же эффект возможен вследствие использования антибиотиков, а также некоторых кормовых добавок и консервантов, особенно при их передозировке. В связи с этим необходима проверка каждого нового фармакологического средства на мутагенность, строгое соблюдение инструкций по применению лечебных препаратов–стимуляторов роста животных, различных ядохимикатов и других токсических веществ. Индуцированный микробиологической мутагенез находит промышленности широкое в применение целях в создания высокопродуктивных полезных рас и штаммов бактерий, грибов. И, в заключение, хочется подчеркнуть, что мутационная изменчивость является закономерным генетическим явлением. Такая изменчивость имеет важное теоретическое значение и широко используется для выявления тонкого строения хромосом и генов, изменения наследственной информации, закодированной в молекулах ДНК, реализации измененной наследственной информации в процессе биосинтеза белков и в онтогенезе особи. Она играет Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 128/235 важную роль в познании эволюции живой природы, а также в практической селекции для создания новых сортов растений и пород животных. Изучение мутагенеза расширяет и углубляет наши представления о процессе перехода количества в качество, о возникновении нового в недрах старого и единстве противоположностей – сосуществовании мутантного аллеля гена со всей генной системой. Занятие № 6 ТЕМА: Генетические основы онтогенеза Онтогенезом называется индивидуальное развитие организма, начиная от оплодотворенной яйцеклетки и кончая естественной смертью. Проблема изучения генетики индивидуального развития очень интересная, но и весьма сложная. В оплодотворенной яйцеклетке соединяются гены отцовского и материнского организма, и из одной такой клетки путем многочисленных делений возникает очень сложный многоклеточный организм. Онтогенез запрограммирован в генотипе особи, но осуществляется в конкретных условиях внешней среды, определяющей характер и возможности реализации наследственной информации. При изучении закономерностей индивидуального развития животного или растения придают особое значение процессу дифференцировки клеток, закладке органов и тканей. При этом выделяют органогенез – процесс формирования органов и морфогенез – постепенное становление формы и функции каждого органа и ткани особи в процессе ее развития. При изучении онтогенеза важно установить, каким путем ген, локализованный в молекуле ДНК, контролирует развитие специфического признака, характерного для вида, породы и отдельной особи. У прокариот путь от гена к признаку относительно простой: ген контролирует синтез фермента, и его активность регулируется процессами, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 129/235 протекающими непосредственно в клетке. Например, о генотипе данного штамма бактерии Е. Coli судят по его способности синтезировать фермент, аминокислоту, антибиотик или другое вещество или гидролизовать питательный субстрат, на котором он размножается. Благодаря механизму регуляции генетического кода бактерии обеспечивают своевременную активность генов, синтезирующих ферменты, необходимые клетке в данный период ее жизнедеятельности. Поэтому у прокариот четко прослеживается связь между геном и признаком: Намного сложнее этот ген → фермент → признак. процесс осуществляется у высших многоклеточных сложноорганизованных особей. Каждый признак у них контролируется, как правило, многими генами, формируется в онтогенезе под влиянием многих ферментов, во взаимодействии с другими органами и тканями. Например, окраска меха у норок контролируется 27 генами, окраска шерсти у крупного рогатого скота зависит от различного сочетания 10 генов, окраска оперения у птицы – от 4 основных генов и их множественных аллелей, дающих около 600 различных комбинаций по окраске, цвет глаз у дрозофилы зависит от 20 генов. Каждый ген в генотипе особи представлен двумя аллелями, в результате перекомбинации которых может осуществляться самое разнообразное проявление признака. На характер проявления признака могут повлиять все возможные взаимодействия генов и условия внешней среды. Вместе с тем, следует отметить, что у млекопитающих эмбриональное развитие протекает в организме матери, поэтому на признаки, формирующиеся до рождения, внешняя среда оказывает относительно слабое влияние через организм матери. К таким признакам относят: морфологические особенности строения каждого органа, группы крови, типы гемоглобина и др. Они развиваются главным образом под контролем генотипов родительских форм и после рождения почти не изменяются. В постэмбриональный период условия внешней среды Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 130/235 оказывают существенное влияние на характер проявления главным образом количественных признаков, определяющих продуктивность животного (молочность, яйценоскость и др.). Продуктивность существенно зависит от кормления, условий содержания, микроклимата. Онтогенез каждой особи подчиняется биогенетическому закону Мюллера-Геккеля: сходство эмбриональных черт развития отражает степень родства разных форм в силу общности их происхождения. Процесс дробления зиготы у всех многоклеточных животных организмов проходит начальные стадии эмбриогенеза – бластулу и гаструлу. Для позвоночных характерно прохождение стадии, на которой у наземных форм, дышащих легкими, образуются жаберные дуги, как и у рыб. Безусловно, все это определено генетически. В филогенетических рядах характерен параллелизм гистологической структуры и функций некоторых тканей – нервной, мышечной, эпителиальной, соединительной. Наличие этой закономерности установил русский ученый А.А. Заварзин. Она отражает общность генетической детерминации клеток в весьма давно и далеко разошедшихся классах, например, у млекопитающих и у насекомых. Однако следует учитывать и различия в онтогенезе у разных форм, которые накладываются на общий характер развития, что свидетельствует о специфике генетической информации. Так, например, в яйцах рыб и птиц содержатся большие запасы желтка, что сказывается на их эмбриогенезе. Развитие организма неотделимо от роста, под которым понимают увеличение размеров и массы тела за счет возрастания числа и массы его клеток и органов. Клетки растут в результате накопления и преобразования в них различных белков-ферментов, катализирующих образование в клетке разнообразных соединений. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 131/235 Следовательно, в период роста органов и тканей преобладают процессы, обеспечивающие митотическую активность клеток. В этот период наиболее активно функционируют гены, контролирующие синтез ферментов, обеспечивающих все периоды и фазы митотического цикла. В эмбриональной ткани животных клетки относительно одинаковы по форме и составу белков. Позже они дифференцируются, при этом эмбриональная клетка превращается в клетку с различной специализацией. Такое проявление различий между клетками называют дифференцировкой. В период дифференцировки активно функционируют гены, контролирующие синтез специфических белков, необходимых для формообразовательных процессов и интеграции специализированных клеток. Процессы роста и дифференцировки протекают неравномерно. Такая неравномерность обусловлена, по-видимому, тремя уровнями реализации генетической программы онтогенеза: 1. неодновременным действием генов в пределах данной хромосомы; 2. разным характером действия генов в период активного роста и в период дифференцировки, т.е. в первом случае действуют гены, стимулирующие рост клетки и активное деление; во втором – гены, ответственные за синтез специфических белков, определяющих появление зачатка конкретной ткани или органа; 3. разным моментом и степенью проявления признаков у систематически родственных форм. Зигота, как и другие клетки на ранних стадиях эмбрионального развития, содержат полный набор генов и всю генетическую информацию данного вида, породы и особи, то есть обладают всеми возможностями развития и формирования органов и признаков взрослой особи. Данное свойство принято называть тотипотентностью клеток. Генетическая информация, содержащаяся в молекулах ДНК, одинакова в любой Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 132/235 соматической клетке, то есть каждая соматическая клетка потенциально способна дать начало новому организму. Тотипотентность соматических клеток характерна для растений. Из одиночных клеток, выделенных из дифференцированных тканей любого органа, можно в пробирочной культуре получить целое растение, идентичное исходному. Такие растения получают из корнеплодов сахарной свеклы и моркови, из клетки листа бегонии и многих других культур. Тотипотентность характерна также для бластомеров низших животных и в меньшей степени, для бластомеров высших позвоночных. Так, у стрекозы платикнемис нормальная особь может развиться даже в том случае, если останется одна из 128 бластомер после ультрафиолетового облучения. Таким образом, любая из 128 клеток может дать начало нормальному полноценному организму. Опыты Д. Гëрдона (1964) по пересадке ядер соматических клеток в лишенную ядра яйцеклетку шпорцевой лягушки показали возможность получения нормального развития головастиков и взрослых особей, давших нормальное потомство. Причем взрослые особи копировали признаки того вида лягушек, которому принадлежало ядро. Следовательно, ядро специализированной клетки сохраняет способность к передаче полного объема наследственной информации, необходимой для онтогенеза. Реализация данной информации в процессе индивидуального развития происходит поэтапно от одной стадии дифференцировки к другой на основе включения в действие одних генов и прекращения активности других. Процесс дифференцировки клеток обусловлен дифференциальной экспрессией генов, когда происходит стимуляция активности одних генов и подавление (репрессия) других. Неодновременная активность различных участков молекулы ДНК была установлена при изучении структуры политенных хромосом из слюнных желез дрозофилы на разных стадиях ее Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 133/235 развития. Политенные хромосомы характеризуются чередованием дисков и вздутий, называемых пуффами. Каждому пуффу соответствует деспирализованный участок молекулы ДНК, на котором осуществляется синтез специфических молекул мРНК. Доказательством этого служит активное «поглощение» на этом участке радиоактивных «меченых» нуклеотидов. Характер и место образования пуффов меняются в различные периоды онтогенеза. Каждый диск превращается в пуфф в определенный период жизни личинки. Состояние вздутия на определенном участке политенной хромосомы обратимо, и при переходе личинки в следующую стадию пуфф превращается в диск. О дифференциальной экспрессии генов в онтогенезе свидетельствует также изменение состава белковых фракций в крови на различных стадиях развития животных и человека. Так, например, у человека на стадии раннего эмбриогенеза образуется гемоглобин F, состоящий из двух цепей полипептидов –α и γ. Примерно с 13-й недели развития начинает синтезироваться гемоглобин типа А, характерный для взрослого человека. Он состоит из цепей полинуклеотидов α и β. У новорожденного 70-80% составляет гемоглобин типа F, а 20-30% - типа А. В возрасте одного года происходит полная замена гемоглобина F гемоглобином А. Таким образом, в процессе дифференциации клеток и тканей происходят необратимые изменения в состоянии ДНК, хромосом, ядра и цитоплазмы, в результате чего клетка теряет тотипотентность и, несмотря на то, что в ней и содержится вся генетическая информация, она не способна восстановить целый организм. функционирования соматических В процессе дифференцировки и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 134/235 Особенности развития прокариот и эукариот Как отмечалось выше, ген является очень сложной структурой, он делим и состоит из отдельных функциональных участков (центров), которые могут независимо изменяться при мутациях. Сложный ген принято называть базигеном, а функционально независимые его участки - трансгенами. Экспериментально установлено, что по молекулярному строению гены эукариот отличаются от генов прокариот. У прокариот гены представляют собой непрерывную последовательность триплетов, обеспечивающих кодирование коллинеарной последовательности аминокислот в определенной белковой молекуле. У эукариот многие гены имеют участки, не несущие информации (интроны). Так, в гене, кодирующем альбумин крови крысы, содержится 13 интронов, в гене овальбумина курицы – 7 интронов. Известно, что прокариоты вынуждены обеспечивать все необходимое для своего развития за счет активности почти всех имеющихся у них генов. Гены, контролирующие синтез незаменимых веществ, находятся в ДНК бактерии рядом, составляя систему оперона. Прокариоты организованы весьма просто, а различия их признаков проявляются, прежде всего, на молекулярном уровне (например, способность или неспособность к синтезу определенных соединений, к усвоению веществ и энергии развития клетки; чувствительность к антибиотику). Признаки прокариот можно назвать элементарными, ибо для них характерна простая связь: ген → фермент → признак. У эукариот, в отличие от прокариот, происходит дифференциация между разными клетками организма, что открывает широкие возможности для дистанционного (опосредованного) действия генов. Для многоклеточных эукариот характерно наличие хромосом, количество ДНК в каждой из которых превышает количество ДНК в геноме прокариот. Следует также отметить, что с появлением диплоидности (2n) у эукариот появилось Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 135/235 значительно больше генных взаимодействий по сравнению с прокариотами. Существенное значение приобрели системы доминирования и супрессии, влияющие на баланс действия генов сложного многоклеточного организма. Признак у эукариот, как правило, определяется не одним, а многими генами (полигенами). Например, на живую массу сельскохозяйственных животных оказывают влияние многие гены, основными из которых являются: а) гены, контролирующие ранние периоды развития в эмбриогенезе; б) гены дифференцировки органов и тканей; в) гены, увеличивающие живую массу в постэмбриональный период жизни; г) гены, влияющие на отложение подкожного жира и жира на внутренних органах. По мнению О.А. Ивановой (1974), у эукариот путь от генов к признаку можно выразить следующей формулой: много генов → много ферментов → один признак. Установленный французскими генетиками Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961) на примере действия оперонов прокариот (на бактерии Е.Coli) механизм индукции-репрессии, принимающий непосредственное участие в процессе регуляции синтеза белков, возможен и у эукариот. Однако механизмы регуляции генной активности у эукариот значительно сложнее и менее изучены. Для них характерно наличие дифференцированных органов и тканей, состоящих из узкоспециализированных клеток. В этих клетках в активном состоянии находится только та часть генетической информации, которая необходима для дифференцированных синтеза клетках строго определенных интенсивно белков. синтезируются В белки определенного состава и функций, характерных для данного органа и ткани. Установлено, что в организме эукариот имеются гены, действие которых проявляется только в специализированных тканях (например, гены, кодирующие синтез миозина в мышцах) и гены, ответственные за Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 136/235 выполнение ограниченных функций (например, за синтез гемоглобина крови, кератина волос и т.д.). На синтез белков у эукариот в процессе онтогенеза оказывают влияние: репликация ДНК, стабильность иРНК, каскадная и гормональная регуляция активности генов. Репликация ДНК Дифференциация клеток определяет их способность делиться по типу митоза, амитоза, эндомитоза. Характер деления зависит от способности ДНК синтезировать белки, обеспечивающие репликацию ДНК и митотический цикл. В высокодифференцированных клетках, таких как нейроны, мышечные клетки, клетки печени, репликация ДНК не происходит довольно длительное время. Вместе с тем, дифференцированные клетки эпителия кишечника, костного мозга довольно интенсивно делятся и проходят полный митотический цикл значительно быстрее. Стабильность иРНК В отличие от прокариот иРНК у эукариот, особенно в клетках животных, относительно стабильна и может длительное время служить матрицей белкового синтеза, а также сохраняться в цитоплазме в виде инфорсом. Так, у человека длительность жизни ретикулоцитов до превращения их в эритроциты равна шести суткам. Ядра у них отсутствуют, но синтез специализированных молекул белка в них протекает на иРНК, образовавшихся в ядрах на предшествующей стадии нормобласта. Аналогично осуществляется синтез белка на ранее синтезированной иРНК и в других дифференцированных клетках (например, в эритроцитах птиц, спермиях). По-видимому, для эукариот характерно иногда довольно продолжительное неодновременное протекание процессов транскрипции и трансляции. Таким образом, у высших организмов возможно образование Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 137/235 безъядерных клеток, которые могут нормально функционировать за счет ранее синтезированных иРНК. Каскадная регуляция активности генов Сущность такой активности генов у эукариот состоит в том, что в клетке происходит одновременное включение или выключение большой группы генов, хромосомах. локализованных Эта регуляция в разных молекулах осуществляется ДНК, под разных воздействием специализированных весьма разнообразных сигнальных веществ, активно синтезируемых в клетках других тканей и поступающих в клетки данной ткани. Гормональная регуляция активности генов У высших животных важное значение имеет гормональная регуляция активности генов. Гормоны, вырабатываемые железами внутренней секреции, активируют синтез соответствующих белков. Они могут иметь белковую и небелковую природу, но синтез каждого из них осуществляется под генетическим контролем ДНК. Выделяясь из соответствующих желез в кровь, гормоны разносятся по всему организму, вступают в контакт с соответствующими клетками и активируют их гены. Гормоны влияют на многие процессы онтогенеза: рост, органогенез, морфогенез, наступление половой зрелости, уровень продуктивности и другие процессы. Оптимальное количество гормонов является непременным условием нормального развития и функционирования организма. Недостаток одного или нескольких гормонов приводит к нарушению процессов роста и развития, иногда к стерильности особи, к возникновению злокачественных новообразований. Избыток гормонов нарушает процесс обмена веществ в организме, обусловливает эндокринные расстройства. Ряд гормонов влияет непосредственно на ДНК дифференцированных клеток и регулирует синтез специфических белков. Гормоны являются либо Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» индукторами, либо супрессорами синтеза иРНК, или Лист 138/235 изменяют проницаемость клеточной мембраны для специфических индукторов синтеза иРНК. Гормоны могут соединяться с молекулами ферментов и изменять их активность. О такой активации ферментами генов, влияющих на процессы метаморфоза, свидетельствуют следующие эксперименты. У двукрылых насекомых был выделен специальный гормон развития. Введение его личинкам способствовало быстрому их превращению в куколки. При добавлении в питательную среду гормона щитовидной железы головастики быстро превращались в лягушек. Наглядным примером регуляторной деятельности гормона может служить наиболее изученный гормон поджелудочной железы инсулин (белок, состоящий из одной полипептидной цепи, содержащей 51 аминокислоту). Благодаря инсулину в крови поддерживается необходимая концентрация глюкозы, имеющей огромное значение в жизнедеятельности и развитии организма человека. Инсулин регулирует работу генетического аппарата клеток печени, в которых синтезируются ферменты, необходимые для нормального течения двух противоположных процессов – синтеза глюкозы из неуглеводистых веществ и гликолиза глюкозы и синтеза из нее гликогена. Оптимальная концентрация глюкозы в крови поддерживается соотношением комплекса ферментов двух этих систем. Таким образом, инсулин активирует оперон, содержащий три структурных гена, синтезирующих ферменты, необходимые для гликолиза и синтеза гликогена. В то же время инсулин является репрессором четырех генов другого оперона, влияющего на синтез глюкозы. Различные гормоны стимулируют активность генов у сельскохозяйственных животных, а, следовательно, оказывают влияние на их продуктивность. Особенно большое влияние на регуляцию работы Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 139/235 генетического аппарата клетки оказывает гормон роста соматотропин, вырабатываемый гипофизом. Гормон роста является индуктором синтеза белков во многих клетках одновременно. Например, при введении соматотропина в организм телят повышается прирост их живой массы на 1520%. Отмечена положительная корреляция между уровнем концентрации гормона роста в плазме крови индеек и их скоростью роста (0,45-0,58). У лактирующих коров количество РНК в клетках вымени возрастает вдвое, при этом выявлена положительная связь между увеличением синтеза РНК и содержания гормона пролактина (лактогенного). На активность соответствующих генов оказывают существенное влияние цитоплазма дифференцированных клеток и белки-гистоны. При дифференциации клетка приобретает способность реагировать только на определенные раздражители, в результате чего она синтезирует только те белки, которые необходимы для ее дальнейшего функционирования, жизнедеятельности генетического и аппарата дифференцировки. Характерно, дифференцированной клетки что свойство синтезировать специфические белки клетка сохраняет и в последующих клеточных поколениях. Таким образом, увеличение размеров ткани за счет деления клеток не изменяет работу генетического аппарата, и дифференцированные клетки синтезируют те же специфические для данной ткани белки. Многочисленные исследования показывают, что характер индивидуального развития многоклеточных организмов, в том числе высших растений, животных и человека, определяется взаимодействием многих генов, сложным взаимодействием ядра и цитоплазмы, различных клеточных систем, обладающих активностью разных генов. Общая схема взаимодействия генов в онтогенезе у многоклеточных организмов по Б.В. Конюхову, 1978 (рис. 7.3.) четко показывает, что каждый этап развития, ведущий к образованию зачатка новой ткани, зависит от Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 140/235 взаимодействия генов данной клетки с генами других клеток. В результате такого действия происходит изменение цитоплазмы, что снимает репрессию и индуцирует активность тех генов, которые, в конечном счете, приводит к дифференцировке, а следовательно, к возникновению зачатия новой ткани или органа. На молекулярном уровне такой процесс новообразования осуществляется путем транскрипции и трансляции, а также появлением в клетках качественно новых белков. Влияние генотипа и среды на развитие признаков Фенотип каждого организма формируется под влиянием генотипа и условий среды. Генотип определяет норму реакции организма, то есть границы изменчивости проявления признака под влиянием изменяющихся условий окружающей среды. Роль генотипа и определенных факторов среды в образовании разных признаков организма бывает весьма разнообразной. Ген, являясь дискретной единицей наследственности реализуется в процессе синтеза ферментов или структурных белков. На молекуле ДНК транскрибируется полипептидные иРНК, цепи. на В которой в цитоплазме посттрансляционный период образуются полипептиды претерпевают различные перестройки: соединяются друг с другом, с молекулами небелковой природы, приобретают вторичную, третичную или четвертичную структуру. Они участвуют в развитии и формировании органов и признаков, выполняя специфические функции ферментов, структурных или транспортных белков. В свою очередь, каждый этап реализации наследственной контролируется сложной информации ферментативной в и процессе биосинтеза регуляторной системой. Экспериментально установлен дискретный характер наследственности, когда характер проявления одного признака контролируется одним, двумя или Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 141/235 большим числом генов, локализованных в определенных участках молекулы ДНК и хромосомы. В процессе онтогенеза генотип проявляет себя как единая целостная система, регулирующая все стороны развития признаков и органов. Фенотип особи определяется совокупностью индивидуальных признаков, доступных наблюдению или анализу. Он также имеет дискретную природу, так как каждому организму свойственны специфические для него признаки. С другой стороны, фенотип представляет собой единое целое и нарушение строения одного органа сказывается на жизнеспособности всего организма. При изменении условий среды иногда признак изменяется так же, как и под влиянием действия генов, но возникшие особенности не являются наследственными. Такие изменения называют фенокопиями. Например, у кур врожденный дефект бесхвостости наследуется, но в некоторых случаях обусловливается влиянием внешней среды в период инкубации. У мышей, морских свинок, кроликов инъекцией инсулина, кортизона и других веществ в первую половину беременности можно вызвать образование фенокопий многих генетически обусловленных аномалий. Разнообразные фенокопии могут возникнуть при заражении животных в период беременности вирусами краснухи, кори, гепатита, ринотрахеита и болезни Ньюкасла. Отмечено получение фенокопий также в случаях нарушения баланса витаминов, гормонов и микроэлементов в организме. Однако следует отличать фенокопию от мутации. Сущность таких различий состоит в том, что при мутации изменение признака связано с блокирующим норму развития действием мутантного гена (аллеля). У фенокопии нормальному действию препятствуют факторы внешней среды. не мутантного гена (аллеля) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 142/235 В результате нарушения процесса органогенеза в эмбриональный период онтогенеза могут произойти резкие изменения в строении органов и проявлении признаков. Такие изменения называют морфозами, они не наследуются и чаще всего имеют явную патологию. Например, у животных отмечается образование дополнительных конечностей, многокамерных почек; симбиоз (срастание) близнецов; развитие органов в не предназначенном месте и т.д. В формировании фенотипа важное значение имеют коррелятивные связи органов и признаков. Видный ученый нашей страны И.И. Шмальгаузен (1884-1963) выделял следующие типы коррелятивных связей: 1. геномные, обусловленные действием генотипа как целостной системы в процессе онтогенеза; 2. морфологические, которые наследственно обусловлены и возникают в результате передачи веществ или возбуждений от одной части организма к другой; 3. функциональные, являющиеся следствием функциональной связи между органами. Он считал, что в онтогенезе особую роль играют морфогенетические связи, благодаря которым развитие организма и формирование фенотипа осуществляются как единый процесс. Выявление коррелятивных связей и их роли в развитии признаков имеет важное значение в генетике и селекции животных и растений. Плейотропное действие гена Влияние одного гена не на один, а одновременно на несколько признаков называют плейотропным (от греч. рleistos – множественный и tropos – направление). Явление плейотропии объясняется тем, что гены плейотропного действия контролируют синтез ферментов, участвующих в разных обменных процессах в клетке и в организме в целом и оказывающих одновременно влияние на проявление и развитие других признаков. Довольно часто при анализе связей гена и признака можно обнаружить явление плейотропии. Особенно четко плейотропия проявляется Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 143/235 при изучении фенотипических изменений признаков, вызываемых мутацией одного гена. При этом плейотропное действие гена может быть как отрицательным, так и положительным. У животных и человека мутация одного гена может обусловить целый комплекс патологических изменений фенотипа, называемых в медицине и ветеринарии синдромами. Приведем несколько классических примеров плейотропного действия генов: 1. Желтая мышь, у которой ген желтой окраски у гетерозигот обусловливает замедление обмена веществ и склонность к ожирению, некоторое увеличение размеров скелета, определенную устойчивость к заболеванию раком молочной железы. 2. У кур ген F, вызывает курчавоперость. Перья у такой птицы обламываются, и со временем она теряет существенную часть перьевого покрова, что лишает ее возможности взлетать на насест. Одновременно у птицы в гомозиготном состоянии усиливается дыхание и потребление для поддержания оптимальной температуры тела, развивается у нее гипертония сердечной мышцы, наблюдается задержка половой зрелости, что, в конечном итоге, приводит к снижению яйценоскости, оплодотворенности и выводимости яиц. 3. У норок большинство мутаций, вызывающих изменения окраски волосяного покрова, рецессивно и в силу плейотропии снижает их плодовитость и жизнеспособность. Ген пастелевой окраски приводит к уменьшению пигментированности оболочки глаз, когтей и губ, а также к синдрому закидывания головы у отдельных особей. В медицине и ветеринарии наиболее изученными являются так называемые синдромные и биохимические плейотропии. При синдромной плейотропии один мутантный ген обусловливает комплекс повреждений в процессе онтогенеза. Примером синдромной плейотропии может служить Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» рецессивная мутация гена, кодирующего фермент Лист 144/235 галактозо-1- фосфатуридилтрансферазу, неоходимый ребенку для усвоения молочного сахара. Эта мутация обусловливает заболевание галактоземией и оказывает плейотропный эффект на комплекс признаков. У больного проявляются слабоумие, слепота, цирроз печени. Предупредить развитие заболевания можно, если больного перевести на искусственную диету, не содержащую молочного сахара. Серповидно-клеточная анемия у человека также иллюстрирует плейотропное действие мутантного гена. На уровне молекулы данный ген выражен в образовании аномального гемоглобина, на уровне клетки – в снижении жизнеспособности эритроцитов, склонности их к изменению формы и к гемолизу, на уровне организма – в развитие синдрома тканевого удушья, летальности в гомозиготном состоянии. Однако, люди, страдающие серповидно-клеточной анемией, устойчивы к малярии. Примером биохимической плейотропии, послужившей моделью для изучения сложных взаимодействий структурных генов и характера их проявления в фенотипе особи, могут служить мутации генов, контролирующих метаболизм аминокислот фенилаланина и тирозина. Нарушение этого метаболизма обусловливает патологические изменения целой серии признаков у человека и такие заболевания, как фенилкетонурия, алкаптонурия, кретинизм, альбинизм. Устранить вышеуказанные формы плейотропии можно лишь при условии восполнения недостающего в организме вещества или удаления избытка соединения, которое накапливается в результате мутации гена. Плейотропное действие гена в большинстве случаев явление не желательное для практической селекции растений и животных. Дело в том, что плейотропия затрудняет отбор, как правило, полезных форм, так как положительное изменение одного признака может одновременно (чаще так и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 145/235 бывает) сопровождаться отрицательным изменением другого признака. Например, повышение содержания белка в зерне обычно приводит к снижению урожая злаковых (пшеница, ячмень). Меланосаркомой чаще всего заболевают лошади серой масти. Во всех таких случаях, прежде всего, требуется доказать, что полученный результат (эффект) представляет действие именно одного гена. Однако плейотропное действие – это свойство, присущее каждому гену. Поэтому плейотропия указывает на связь процессов онтогенеза и взаимную связь генов в генной системе клетки и организма в целом. Взаимодействие генотипа и среды Известно, что развитие организма животных и всех его особенностей – это результат сложнейшего взаимодействия между наследственностью и средой, поэтому вопросы взаимодействия генотипа и среды постоянно находятся в центре внимания селекционеров и занимают важную роль в совершенствовании методов и приемов селекции сельскохозяйственных животных. Под взаимодействием “генотип-среда” понимается специфичность существования породы, линии или отдельной особи в разных условиях среды. Другими словами, одна среда лучше отвечает требованиям генотипа и способствует лучшему проявлению генетических задатков породы, линии, отдельной особи, в то время как в других условиях среды этого не происходит. Это положение наглядно проиллюстрировано на теоретическом примере (Лэсли Д., 1982), в котором использованы три различных генотипа (А,В,С) и две среды (1,2). По генотипам А и В не выявлено взаимодействия между генотипом и средой, поскольку животные этих генотипов имели сравнительно одинаковые (по направлению изменения) показатели продуктивности как в условиях среды 1, так и в условиях среды 2, хотя генотип А по развитию признака был лучше, чем генотип В в обеих средах. В Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 146/235 то же время наглядно показано взаимодействие “генотип-среда” по особи С. Так, генотип С превосходил по показателям продуктивности генотипы А и В в среде 1, но уступал им в условиях среды 2. Данный пример показывает, насколько важен правильный выбор линии или породы, для конкретных условий среды, если мы стремимся получить оптимальную продуктивность. Таким образом, реакция одного и того же организма особи на изменяющиеся условия внешней среды будет далеко неодинакова. Это лишний раз подтверждает, что наследуется не готовый признак, а реакция организма на условия жизни. В разных условиях один и тот же генотип будет проявляться по-разному, так как развитие каждого признака особи контролируется определенными генами, проявляющимися только при определенных внешних факторах. Среда оказывает влияние не только на проявление доли генотипической изменчивости признаков, но и на структуру фенотипического разнообразия в результате взаимодействия “генотипсреда”. Причем животное, имеющее высокую продуктивность в одних условиях среды, может иметь среднюю или даже худшую продуктивность в другой среде, и наоборот. Например, отдельные гибриды (бройлеры, несушки) дают более высокую продуктивность при клеточном, а другие – при напольном содержании, поэтому оценка их окажется в разных условиях неодинаковой. Эффект взаимодействия генотипа и среды зависит от степени наследуемости признака. Признаки с низкой наследуемостью (половая зрелость, жизнеспособность, яйценоскость, оплодотворенность и др.) сильнее подвержены взаимодействию “генотип-среда”. В то же время по таким признакам, как живая масса взрослых особей, содержание жира и белка в молоке, масса яиц, качество яиц, характеризующихся высокой степенью наследуемости, взаимодействия практически не наблюдается. По-видимому, проводить оценку животных по высоконаследуемым показателям достаточно Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 147/235 по результатам испытания в одном стаде. По остальным признакам оценку их нужно проводить в таких условиях, в которых они будут использоваться. Доля генотипического разнообразия в общей изменчивости по большинству хозяйственно-полезных признаков (молочность, яйценоскость, скороспелость, живая масса и пр.) полнее проявляется при правильном выращивании и полноценном кормлении животных. Поэтому в повышении эффективности оценки и отбора животных для воспроизводства стада большую роль играет выбор условий среды при выращивании молодняка. Взаимодействие «генотип-среда» определяется в двухфакторном дисперсионном комплексе как доля влияния сочетания генотипических и средовых факторов. При высокой интенсивности отбора в ряде поколений доля влияния генотипа уменьшается, а взаимодействие увеличивается, тогда оценка производителей по качеству потомства будет менее точной. Во всех случаях, когда наблюдается достоверное взаимодействие «генотип-среда», следует руководствоваться только генотипической оценкой животных. В результате изучения влияния взаимодействия «генотип-среда» на продуктивные качества мясных кур И.П. Жарковой (1980) установлена невысокая достоверная генотипическая изменчивость по ранней скорости роста, обусловленная взаимодействием генотипа и среды. Среди организованных факторов сила влияния взаимодействия «генотип-система содержания» не превышала 22,4%, «генотип - условия кормления» – 10,2%. Рассчитанные методом дисперсионного анализа показатели силы влияния факторов среды и линии указывают на достоверное влияние на живую массу птицы в 8 недель как генотипа (21,9-22,8%), так и факторов содержания (1,82,4%) и кормления (1,5-1,7%). В последующие возрастные периоды (20 и 34 нед.) сила влияния условий среды понизилась вследствие нивелирования условий содержания и кормления и была недостоверной. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 148/235 Сотрудниками кафедры генетики и разведения МГАВМиБ им. К.И. Скрябина в ОАО «Марьинская птицефабрика» Московской обл. в двух экспериментах изучено влияние взаимодействия генотипа и среды на организм яичных кур. Установлено, что яйценоскость и жизнеспособность яичных кур существенно различались в зависимости от генетического происхождения птицы (два кросса) и системы содержания (от четырех типов клеточного оборудования и двух режимов освещения). Дисперсионным анализом выявлено, что доля влияния взаимодействия генотипа и среды на яйценоскость несушек равна 0,84. В.П. Коваленко и В.И. Кравченко (1987) предложили методику оценки взаимодействия «генотип-среда» путем определения экологического индекса, характеризующего пластичность и стабильность кроссов (линий, отдельных семей) яичных кур. В начале методом дисперсионного анализа определяют различия между генотипами по яйценоскости и существенности взаимодействия «генотип-среда». Затем вычисляют коэффициенты корреляции и регрессии продуктивности каждого кросса (линии) на средний уровень продуктивности, полученной при испытании птицы на трех и более контрольных станциях. Таким образом, определяют экологический индекс, который может служить дополнительным селекционным признаком при оценке кур. Таким образом, проблема взаимодействия генотипа и среды имеет важное значение в селекции животных. Взаимодействие оказывает определенное влияние на эффективность отбора генетически лучших особей, программу отбора, на характер и степень корреляции в оценке племенных особей, на распределение животных по их генетическому достоинству в зависимости от условий жизни, на приспособленность различных пород, линий и отдельных особей к экологическим условиям. С практической точки зрения взаимодействие генотипа и среды – существенный фактор, поэтому Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 149/235 перспективные для селекционно-племенной работы производители должны быть оценены и отобраны именно в тех же условиях среды, где будет получено и использовано их потомство. Занятие № 7 ТЕМА: Группы крови и биохимический полиморфизм Содержание и методика занятия. Иммуногенетика - наука о генетическом полиморфизме антигенного состава клеток организма. По определению Р. Петрова (1976) иммуногенетика изучает закономерности наследования антигенной специфичности и роль генетических механизмов в осуществлении иммунных реакций. Группы крови являются одним из разделов иммуногенетики, в тоже время биохимический полиморфизм белков и ферментов крови определяемый электрофоретически является разделом биохимической генетики (т.е. биохимии и генетики). Исследования по изучению генетического (иммуногенетического и биохимического) полиморфизма, закономерности и особенности которого находят практическое применение в селекционной работе и в ветеринарной практике. Генетический полиморфизм является частью общебиологического полиморфизма, включающий половой деморфизм особей, возрастной полиморфизм, экологический и другие. Формирование полиморфных форм у особей –явление благоприятное для процветания вида и эволюции. Генетический полиморфизм имеет эволюционное значение, так как наличие в локусе нескольких аллельных состояний гена увеличивает генетическую изменчивость в популяции и сопровождается образованием гетерозиготных генотипов, которые благоприятствуют выживанию гетерозиготных особей, то есть создает селективное преимущество таких организмов. Источником генетического полиморфизма в современной селекции служат такие наследственно детерминированные биологические системы, как Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 150/235 иммуногенетические образования в виде групп крови, а также генетически обусловленные полиморфные биохимические вещества, такие как белки и ферменты крови, молока, белков яиц, семенной жидкости и других тканей организма. Использование в селекционных целях этих генетически обусловленных структур основывается на том, что как группы крови, так и полиморфные системы белков не изменяется в процессе онтогенеза и являются пожизненной генетической характеристикой каждой особи и служат прямо или косвенно элементом отбора при проведении племенной работы, направленной на совершенствование племенных и продуктивных качеств животных в данном стаде или породе. Большой вклад в развитие иммуногенетики сельскохозяйственных животных внесли в России П. Ф. Сороковой, В. П. Павличенко, З. И. Вагонис, В. Н. Тихонов, С. П. Безенко, А. М. Машуров, Р. М. Дубровская, Н. О. Сухова, Н. С. Марзанов, С. А. Казановский, Э. А. Ата-Курбанов, С. И. Шадманов и многие другие. Изучение иммуногенетики животных за рубежом было начато в 40-х годах XX столетия такими учеными как R. Оуэн, С. Стормонт, М. Ирвин, Л. Фергюсон, А. Нейманн-Серенсен, М. Бренд, Я. Рендель, Б. Буш, И. Матоушек, Т. Андресен, Е. Ленерт, Л. Подлящук, С. Брайлс, В. Расмусен, Е. Такер. Краткая история изучения групп крови Биологическая теория иммунитета, основоположником которой является великий русский ученый, лауреат Нобелевской премии И. И. Мечников, дала начало целой группе новых наук, среди которых видное место занимает иммуногематология (переливание крови). С поисками способов переливания крови человеку тесно связано учение о группах крови. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 151/235 В 1848 году А. М. Филомафитский писал, что еще в XVII в. предпринимались попытки переливания крови животным и человеку (первые попытки были предприняты еще в Древнем Египте). Однако только открытие Гарвеем кровообращения в начале XVII века явилось научной основой для изучения вопроса о переливании крови. Тем не менее вплоть до XIX века переливание крови зачастую приводило к трагическим результатам. В 1667 году Дени (Франция) проводил опыты по переливанию крови от ягнят и телят человеку, однако, наряду с успехами у него были и неудачи. А посему такие опыты были запрещены. В 1875 году Ландойс отмечал, что при смешивании эритроцитов животного одного вида с сывороткой другого in vitro наблюдается реакция гемагглютинации. Переливание крови от одной особи к другой в пределах одного вида сопровождается аналогичными последствиями. Иммуногематология как наука зародилась на рубеже XIX и XX столетий, когда в 1898 году ученикам Мечникова Ж. Борде при введении морским свинкам эритроцитов кроликов были открыты гемагглютинины и гемолизины. Индивидуальные различия по агглютинирующим свойствам крови у людей были известны исследователям и раньше, но объяснялось это действием инфекции (К. Ландштейнер, 1900). К. Ландштейнер (1901)-австрийский врач, лауреат Нобелевской премии, исследуя эритроциты и сыворотку крови у своих сотрудников, разделил их по результатам реакции агглютинации на три группы А, В и С (впоследствии С было заменено на О). Впервые ему удалось показать, что это явление не патологическое, а нормальное физиологическое свойство крови. Эритроциты человека группы А реагируют с сывороткой крови индивидуумов В и О. В этих сыворотках содержатся определенные белковые вещества – антитела, которые связываются с химической субстанцией на поверхности эритроцитов – антигенами, вызывая склеивание последних. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 152/235 В 1902 году А. Декастелло и А. Стурли исследуя кровь у больных подтвердили эти закономерности и вместе с тем открыли четвертую группу обозначенную ими АВ. Эритроциты этой группы агглютинировались как сывороткой крови групп А и В, так и сывороткой группы О. В 1907 и 1909 годах чехом Янским и англичаниным Моссом независимо от приведенных выше авторов были открыты те же закономерности агглютинации. Выяснение наследственной природы групп крови у детей большей частью соответствует группам крови отца и матери, отмечает Гектоен (1907). В 1910 году Дунгерн и Хиршфельд обозначили агглютиногены эритроцитов А и В и соответствующие им агглютинины сыворотки α- и β- и проведя специальные исследования, которые позволили им сделать вывод, о наследовании групп крови по законам Менделя, а затем Тодд и Уайт эти данные подтвердили клиническими и экспериментальными наблюдениями. В 1924 году Берштейн изучая частоту распространения генов – А,В,О в популяциях многих народов, установил что детерминируемые ими группы крови контролируются аллелями одного локуса гомологичных хромосом. Возникновение множественных аллелей он объяснил различными мутациями одного гена. Гены, кодирующие групповые факторы эритроцитов локализованы на длинном плече аутосомной хромосомы С9 и наследуются по кодоминантному типу, т.е. оба антигена, которые они экспрессируют проявляются одинаково (без признаков доминантности). В системе АВО, которая контролируется геном J, имеется 6 генотипов и 4 фенотипа – группы А, В, АВ и О. Первые три группы представлены генотипами АА, АО; ВВ, и ВО, а также генотипом АВ – соответственно на эритроцитах человека с этими группами крови имеются белки-антигены А, В или оба антигена АВ. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 153/235 Люди с группой крови АВ антител не имеют т.к. кровь у человека с группой О не содержит антигенов этой системы, такие люди являются универсальными донорами, их кровь можно переливать всем. Люди с группой АВ являются универсальными реципиентами –их кровь можно переливать только людям с той же группой крови (между прочим, в такой же ситуации оказываются и доноры группы О, т.к. любая другая группа крови несет один из антигенов и при переливании такой же группы людям с группой О наблюдается агглютинация эритроцитов). Характер наследования антигенов позволяет предсказать группы крови детей, если известны группы крови родителей. Интересна картина распространения аллелей гена в разных районах земного шара. Для аборигенов Южной Америки характерна группа О. Для кельтского населения Англии (Уэлльс и в меньшей степени Шотландия) – группа В. В Европе, несмотря на различия народов, весьма высока частота группы О (около 44%), в Африке и Азии –частота группы А (для африканского населения характерна аллель А2, для азиатского –А1). Причины этого не вполне понятны, но особенности распределения аллелей групп А, В и О определенным образом отражает миграцию народов и влияние отбора в древние времена. Одной из гипотез, объясняющей преобладание группы О у южноамериканских индейцев, является утверждение о связи низкой частоты рецессивного аллеля с эпидемиями чумы. Южная Америка избежала таких эпидемий, отсюда высокая распространенность группы О. Необходимо указать, что антигены А и В, обнаруженные на эритроцитах, находятся также на лейкоцитах, спермиях, в слюне, желудочном соке, в молоке и других биологических жидкостях организма. В настоящее время известно о наличии абсолютно идентичных групп крови у человека, шимпанзе, гориллы и орангутана: “человеческие” группы Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 154/235 О и А отличены у шимпанзе; А, В и АВ –у орангутана; А и В у гориллы. Получены неопровержимые доказательства тождества этих групп у человека и перечисленных обезьян. Смелые опыты Труазье в середине XX века доказали безопасность переливания крови (с учетом группы) от шимпанзе человеку. Возможность же такой процедуры была доказана еще раньше Фриденталем. При этом сходство человекообразных обезьян с человеком отличается высокой степенью специфичности: оно гораздо более выраженно, чем сходство человекообразных и низших обезьян. Начав с изучения иммунологического взаимодействия антигенов эритроцитов с соответствующими антителами, иммуногематология оказалась соединительным звеном между иммунологией и генетикой. Благодаря этому стали возможны исследования, получившие важнейшее практическое значение в хирургии и гематологии, акушерстве и гинекологии, эволюционной и популяционной генетике, судебной медицине и этнической антропологии, а также в зоотехнической науке и ветеринарии. Таким образом сложилась новая научная дисциплина-иммуногенетика, (этот термин ввел в 1936 году М. Ирвин) в основе которой объединяются иммунологические и генетические методы выявляющие особенности реакции между группы крови, эритроцитарными антигенами и антителами. Иммуногенетика-раздел биологии, изучающий генетический контроль иммунного ответа, генетику несовместимости тканей при трансплантации, генетику иммуноглобулинов, генетику противоопухолевого иммунитета, закономерности наследования антигенной специфичности, проблему поддержания генетического гомеостаза соматических клеток организма. Группы крови - только один из разделов иммуногенетики. Начиная с 40-х годов иммуногенетика стала интенсивно распространилась из медицины в зоотехнию и ветеринарию. развиваться и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 155/235 Изучение групп крови у сельскозозяйственных животных велось по двум направлениям. Под влиянием открытий Ландштейнера для установления антигенных факторов применялись сначала естественные антитела, а затем пришли к иммунным антителам. Оттенберг и Фридман (1911), Фишбейн (1913), Весецкий (1920), Кунц (1923), Литтл (1929), Шермер и Отто (1953), Форшнер (1955), Толле (1956), и другие авторы проводили опыты с крупным рогатым скотом для определения антигенных различий на базе естественных антител. Форшнер нашел естественные антитела у 24% животных. К 1957 году им удалось выявить 8 антигенных факторов. Позже, когда было установленно, что реакция на естественные антитела весьма слаба и не дает возможности проводить точную классификацию особей перешли к иммунным антителам. В отличие от человека, у которого антигенные различия по АВО-системе выявлены перекрестными реакциями между эритроцитами и нормальной сывороткой разных особей, у животных они были обнаружены при иммунизации коз гемолизатом их крови (Эрлих и Моргенрот, 1899-1900). Метод изоиммунизации для получения иммунных антител использовали на собаках (Дунгерн и Гиршфельд, 1910) и крупном рогатом скоте (Тодд и Уайт, 1910). Этот метод нашел широкое применение при исследовании групп крови у животных, т.к. Эрмих и Моргенрот разработали технику иммунизации при которой образующиеся антитела используются для исследования групп крови у других особей. С 1930 года в Германии в Геттингене работала группа исследователей под руководством Шермера над определением групп крови с помощью естественных антител. Однако, более широкое применение исследования групп крови у домашних животных нашло в Висконсинском университете (США) под руководством М. Ирвина, который разработал пути использования иммунологической техники при изучении групп крови у крупного рогатого Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 156/235 скота, овец и кур. Американские ученые Фергюсон (1941, 1947), Стормонт, Ирвин (1942), Гамли (1943), Стормонт (1955), а затем европейские НейманСеренсен (1966), Рендел (1958), Бренд (1958) и Боу (1958) используя методы изо- и гетероиммунизации для изготовления специальных сывороток с помощью которых они открыли и свели в 11 наследственных систем групп крови и свыше 40 эритроцитарных антигенов. Сравнительные испытания естественных и иммунных сывороток показали, что те и другие выявляют одни и те же антигенные факторы (Рендель и сотр., 1957 г.) Эти методы с теми или иными отклонениями в настоящее время применяются всеми лабораториями мира, работающих по изучению групп крови животных. Теоретические основы групп крови Эритроциты человека и животных – живые клетки, отличающиеся специфическим обменом веществ и сложной структурой, а также являются носителями гемоглобина. Клеточная оболочка эритроцитов называется стромой, с физической и структурной стороны весьма сложна и состоит из липопротеиновых комплексов. Внутренняя структура эритроцитов более проста и содержит главным образом гемоглобин. Местом накопления антигенов, обуславливающих образование специфических антигенных свойств, является строма эритроцитов, структурная и химическая сложность которой доказана антигенной реакцией. Тот факт, что носителем антигенных субстанций, у крупного рогатого скота, является строма, было установлено Шмидтом (1959). Он путем впрыскивания экстрактов стромы (при гетероиммунизации) доказал образование антител в крови реципиента. Изолированная строма также способна абсорбировать соответствующие антисыворотки. Ройял (1952), экстрагируя 12 эритроцитарных антигенов крупного рогатого скота установил, что они имеют полисахаридный характер. Однако, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 157/235 весьма маловероятно, чтобы антигенные факторы были только комплексами полисахаридных субстанций без протеиновых компонентов. Кейбат (1956) проводил исследования эритроцитарных антигенов человека, установил, что носителем их серологических свойств являются мукополисахаридные комплексы, которые содержат, кроме углеводов и аминокислоты. Эритроцитарные антигены представляют собой сложные биополимерные макромолекулы, которые накапливаются на оболочке (строме) эритроцитов, и соединяются с молекулами веществ оболочки. Структура и химический состав эритроцитарных антигенов разнообразен и характерен для каждой особи того или иного вида. Основы биосинтеза эритроцитарных антигенов определяются действием генов и структурами ДНК, РНК. Антигены имеют различные типы специфичности: видовую, групповую, типовую, патологическую, органоидную, функциональную (Р. Петров, 1976). Антигенные особенности обусловлены последовательностью и качественными различиями аминокислот, входящих в молекулу антигена, а также особенностями строения первичной полипептидной молекулы антигена. На поверхности молекулы антигена имеются наиболее активные участки –детерминантные группы, которые определяют специфичность антигена. Возможно, что изменения в структуре комплексов приводят к образованию различных антигенов и способствуют образованию соответствующих этой структуре антител. Взаимодействие антител с антигенами сопровождается внешним проявлением с образованием видимого комплекса антиген-антитело. Антитела характеризуются следующими признаками Доссе (1959): специфичность (данный вид антител может соединяться лишь с соответствующим антигеном); Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» авидностью (сродством), Лист 158/235 определяющий скорость соединения с антигеном; температурным оптимумом; титром, представляющим наибольшее наибольшее разведение сыворотки, содержащей антитела, при котором еще проявляется их действие. Антитела против эритроцитарных антигенов делятся на естественные и иммунные, а также полные и неполные. Естественные антитела содержатся в крови человека и животных с самого рождения, или же образуются в течении послеродового периода и сохраняется всю жизнь, а иногда в течение известного периода времени. Они образуются без какого-либо внешнего вмешательства. При исследовании групп крови особо важное значение приобрели иммунные антитела. Открытие 100 антигенных факторов у крупного рогатого скота, стало возможным только благодаря этим антителам. Следовательно, их значение гораздо важнее, чем естественных антител. Полными антителами называют антитела, дающие явную реакцию – агглютинации с соответствующими антигенными факторами в физиологическом растворе. Неполные антитела для явной реакции с антигенами требуют специальной среды-плазмы крови, растворы альбумина, желатина и др. или же предварительное разрушение стромы некоторыми ферментами – трипсином. Антитела применяемые для определения антигенных факторов на поверхности эритроцитов крупного рогатого скота, носят сплошь характер антител полных. Неполные антитела применяются для определения антигенов у свиней. Основная терминология и номенклатура. Антигены – это генетически чужеродные вещества, представляющие собой макромолекулы с Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 159/235 молекулярной массой не менее 5000 дальтон, вызывающие при введении в организм развитие специфических иммунологических реакций, т.е. иммунный ответ. Это не означает, что антигенов столько сколько организмов -по отдельным антигенам особи могут быть тождественны, различен комплекс антигенов. Так в системе АВО-человека всего 4 группы крови и у них имеются антигены А или В, либо оба антигена: наконец могут быть лишены их. Антигены, по которым особи одного вида различаются между собой, называются аллоантигенами. В 1956 году М. Ирвин сформулировал новое определение антигена: антигеном является субстанция, которая при попадании в кровь другого животного может вызывать образование антител (хотя и не во всех случаях), но которая при встрече со своим антителом должна вызывать специфическую реакцию. Наиболее часто антигенами являются белки, однако ими могут быть токсины-полисахариды и нуклеиновые кислоты. Наиболее сильный иммунный ответ вызывают антигены-белки. Антитела-иммуноглобулины (белки), образующиеся в организме под воздействием антигенов. Если антигеном является какая-нибудь инородная клетка, животное образует антитела, именуемые лизинами, которые растворяют эту инородную клетку. Такая реакция называется лизисом. Взаимодействие между антигенами и антителами протекают в виде реакции гемолиза и агглютинации. При смешивании эритроцитов одного животного с сывороткой крови другого животного, в которой имеется антитело хотя бы против одного из антигенов, находящихся на этих эритроцитах, то при соответствующих условиях антитело свяжется с антигеном, что вызывает разрушение оболочки эритроцитов, то есть происходит гемолиз с выходом гемоглобина из разрушенных эритроцитов, в следствии чего она окрашивается в красный цвет. Такая реакция называется гемолитическим тестом (или пробой). Гемолитический тест (серологический)-постановка и оценка Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 160/235 иммунологической реакции эритроцитов исследуемого животного на используемые реагенты. Наличие гемолиза свидетельствует о том, что данное антитело прореагировало со своим антигеном, следовательно, на эритроцитах имеется этот антиген; если гемолиза нет, то эритроциты данного антигена не содержат. Для протекания гемолиза необходимо наличие в сыворотке крови комплемента. Комплемент – сложное коллоидное вещество, действующее подобно ферменту, состоит из нескольких термолабильных и термостабильных фракций. Наиболее активный комплемент – сыворотка морской свинки, но практически удобно применять для этой цели сыворотку крови кролика. Свежая сыворотка кролика как комплемент пригодна для всех реагентов, используемых при определении групп крови у крупного рогатого скота. Некоторые реагенты полученные гетероиммунизацией из кроличьей антисыворотки, лучше активизируется комплементом от морской свинки. Антигены, в форме клеток могут также быть обезврежены путем агглютинации. В этом случае антиген называется агглютиногеном, а антитело – агглютинином. Системы антигенов локусов групп крови и антигены с 1928 года принято обозначать буквами латинского алфавита – А, В, С…, когда алфавит был исчерпан, стали использовать эти же буквы со штрихом –А’, В’, С’ и т.д. Отсюда антигенные факторы А и А’, В и В’, С и С’, не являются родственными. Родственные антигены, составляющие серологические подтипы, обозначали латинскими буквами с арабскими цифрами внизу, справа: А1, А2, О1, О2, О3. Иногда антиген обозначают двумя буквами: строчной и прописной; так, некоторые антигены свиней записывают следующим образом: Еа, Ее, Еd. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 161/235 Антигены некоторых систем образуют группы с определенной комбинацией входящих антигенов – феногруппы. Одиночные или сцеплено наследуемые в виде постоянного сочетания антигены, которые передаются от родителей потомкам как наследственные единицы, называют группами крови. Контроль каждой группы крови обусловлен действием генов одного локуса и его аллелями. Под аллелями подразумевают такой элемент генетической системы организма, который характеризует различные состояния гена определенного локуса. Ген может иметь один аллель или несколько, и тогда образуется серия аллелей данного гена. Аллелем служит один антиген или комплекс антигенов передаваемый как одно целое от родителей потомку. Совокупность групп крови, контролируемых аллелями одного локуса, образует систему крови. Каждой системе крови присваивают определенное буквенное обозначение. Системы групп крови подразделяют на простые, сложные, закрытые и открытые. Если система содержит один–два антигена и имеет два аллеля – это простая система. Сложная система характерна тем, что в нее входят три антигена и более, образующих комплексные группы. Закрытые системы отличаются тем, что генотипы животных можно выявить по антигенам эритроцитов. Открытые системы – это системы групп крови, при которых генотип животного можно установить по фенотипу только у некоторых гомозигот. Совокупность всех групп крови, установленных на эритроцитах животного с помощью специфических антисывороток, называется типом крови. Тип крови животного может быть выражен фенотипически или генотипически. Фенотипическое выражение представляет собою запись антигенных факторов по кровяным системам т.е. А, В, С, D и т.д. Ген соответствующей группы крови обозначается большой группой системы с Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 162/235 обозначением групп крови крови, написанной сверху. Аллель группы крови ВО1Y2D’ системы В, обозначается как ВВО1Y2D’. Имеются связанности антигенные должны и факторы, могут которые ввиду определенной обнаруживаться только в известных комбинациях. Так, антигенные факторы – В, G, и К могут быть в следующих пяти комбинациях: ВGК, ВG, В, G и b –(пятая комбинация обозначает отсутствие всех трех факторов). Антигенный фактор К всегда встречается в комбинации ВGК, в то время как В и G могут быть порозень или вместе, а их аллели обозначаются В, ВВ, ВG, ВВG и ВВGК. Феногруппа Еbdg (у свиней) определяется присутствием антигенных факторов Еb, Еd, Еg, в этом случае аллель записывается Еbdg. Иногда у животных антигены того или иного локуса отсутствуют. Обуславливающие такое состояние аллели называются рецессивными или нулевыми. При исследовании животных на группы крови по системе L у крупного рогатого скота, могут быть выявлены гомо- и гетерозиготные генотипы. Гомозиготные по аллелям генотипы выявляют по отсутствию гемолиза, а гетерозиготные –семейным анализом. Так, антиген L у крупного рогатого скота, может находиться в гомозиготном (L/L) или гетерозиготном (L/-) состоянии, если же антигена нет, то генотип обозначают -/-. Генотипы L/L и L/- не различаются между собой, их относят к L-положительным генотипам (различие может быть выявлено только семейным генетическим анализом: антигены обоих родителей и потомка). Животные имеющие генотип -/-, называются отрицательными; их можно выявить по реакции с антисывороткой (анти-L), при этом гемолиз эритроцитов не происходит, что указывает на отсутствие антигена L. Каждая генетическая система крови определяется аллелями какого либо локуса, при этом каждый аллель определяет образование одного Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 163/235 эритроцитарного антигена. Если локус имеет два аллельных состояния, то это вызывает образование двух или трех генотипов и соответствующее количество фенотипов. Так, система J у скота имеет аллели J1 и J2 образует генотипы J1J1, J2J2 и J1J2. Если локус имеет большее количество аллелей, то они полиаллельны в результате множественного аллелизма. К ним у крупного рогатого скота относятся системы А, В, С и S, у свиней Е, L, M, K, H, у овец А, В, С. Большое число аллелей служит источником образования сотен групп крови в системе, повышая тем самым генетическую изменчивость у отдельных особей популяции. Так, по 13 системам крупного рогатого скота выявлено более 100 антигенов, в которых учтено более 500 аллелей, а они могут образовать более 15000 групп крови. Существуют две гипотезы, объясняющие явление множественного аллелизма. Некоторые ученые (М. Ирвин) считают, что это явление – результат тесного сцепления между несколькими генами данного локуса. Эта гипотеза подтверждается современными исследованиями. Другая гипотеза (С. Стормонт, 1955) рассматривает это как полиаллельную систему многократного мутирования одного и того же гена. Генетические особенности антигенов и аллелей имеют ряд других особенностей. Выявлена общность антигена А у овец и человека (переименован в антиген R). Антиген R сходен с антигеном J крупного рогатого скота, и оба могут присутствовать в растворимом виде в плазме и переходить на эритроциты в первые недели жизни. У лошадей системе Р аналогична АВО-системе человека. Антигенный состав эритроцитов многообразен. Он отражает генетический полиморфизм эритроцитарных антигенов. В основе наследственности систем и групп крови лежит действие одиночных генов или групп сцепления и их аллелей. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 164/235 У животных разных видов антигенный состав эритроцитов обладает видовой специфичностью. Очень редкие антигены являются одинаковыми для животных и человека. Антигенная структура каждой особи сохраняется пожизненно и служит его генетической характеристикой, что создает большие возможности ее применения для различных селекционных и ветеринарных целей. Группы крови и антигенная несовместимость Проблема биологической несовместимости затрагивает важные практические вопросы племенного дела и ветеринарии. Биологическая несовместимость по иммунобиологическим свойствам крови и половых клеток самцов и самок или между родителями и потомками при подборе родительских особей, участвующих в размножении, может проявляться в виде пониженной оплодотворяемости и плодовитости самок, появления у них спонтанных абортов и повышенной смертности эмбрионов. Кроме того, вопрос биологической несовместимости не менее важен при переливании крови, пересадок органов, яйцеклеток и зигот. В 40-х годах Р. Левин с сотрудниками открыл у человека определенный тип анемии – фетальный эритробластоз (Erythroblastosis foetalis) у новорожденных детей обусловленный несовместимостью крови матери и плода. Во время беременности кровь Rh+ плода может вырабатывать в организм матери, который вырабатывает антитела против антигенов групп крови плода. Эти антитела поступают с током крови в организм плода и, соприкасаясь с эритроцитами последнего вызывают реакцию, которая может привести его к гибели. Антитела проникая через плаценту в организм плода, вызывают фетальный эритробластоз (разрушение эритроцитов). Однако, заболевание развивается не во всех теоретически вероятных случаях. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» У кроликов гемолитическая болезнь определяется Лист 165/235 тем, что материнское кровообращение у них относительно не сильно изолировано от кровообращения плода трехслойной гомохориальной плацентой. Поэтому у новорожденного кролика сразу проявляется гемолитическая болезнь. В. Эфроимсон отмечал, что причиной данной болезни могут быть и другие антигены. Гемолитическая болезнь была обнаружена у лошади и мула (Кароли, 1947), у свиней (Бакстон, 1953), и кур (Брайлсом, 1948). У лошади и свиньи гемолитическая болезнь возникает иначе, чем у человека и кролика: жеребята и поросята рождаются здоровыми и анемия у них появляется в подсосный период. Причиной этого отличия является сложное анатомическое строение плаценты у этих животных. Так, у свиней с эпителиохориальной плацентой из семи слоев антитела, состоящие в отличие от антигенов из более крупных молекул, не могут преодолеть плацентарный барьер в обратном направлении, к плоду, поэтому поросята заболевают гемолитической болезнью только после рождения, получая антитела с молозивом. Так как в продолжение первых суток жизни слизистая оболочка пищеварительного тракта проницаема для антител, то последние проникают в ток крови поросят и разрушают их эритроциты. Как показал Кентор (1970), причиной гемолитической болезни у свиней является антиген S7. Если хряк, гетерозиготный по аллели S7 , будет скрещиваться со свиноматкой, которая не имеет этого антигена, то половина поросят получит соответствующую аллель от отца. В организме матери уже при предыдущей беременности от этого хряка начали возникать антитела против антигена S7 и их уровень значительно увеличится при второй беременности. Антитела, направленные против антигена S7, в ходе беременности потомству не передаются. Они проникают в организм вместе с молозивом матери. В результате у половины Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 166/235 поросят с антигеном S7 возникает гемолитическая болезнь, приводящая к гибели. У поросят после сосания матери в первые часы после рождения наблюдаются первые симптомы заболевания: желтушность склеры глаз, слабость, учащенное дыхание и снижение числа эритроцитов. Чтобы предотвратить смертельный исход, достаточно первые три дня кормить поросят молоком других самок. Жеребята через 24-36 часов жизни утрачивали способность резорбировать антитела из сыворотки лошади, введенной в их желудок посредством сосания своих матерей. Поэтому кобыл, у которых предполагают наличие антител, следует в течение первых 36 часов доить в ручную, после чего жеребята могут вскармливаться молоком матери без вреда. Установленно, что гемолитеческая болезнь может быть связана с определенными антигенами групп крови. Болезнь наиболее часто возникает если жеребенок имеет А1– и Q –антигены групп крови, наследуемые от отца, но отсутствующие у матери, также при наследовании от отца R- и S – и редко E2 –антигенов. Врожденная гемолитическая желтуха цыплят вызывается антителами, которые включаются в белок яйца при его формировании. Гемолитическая болезнь у телят и ягнят неизвестна. Во многих случаях бесплодия у животных может вызываться иммунологической реакцией между антигенами спермы производителей и антигенами половых органов самки. Сперматозоиды и семенная жидкость содержат антигены, которые при поступлении в организм самки могут стимулировать синтез антител. Слизистая матки служит мощным барьером для проникновения в половые пути, с одной стороны, продуктов распада спермы, с другой антител. Однако, если самка слишком рано осеменена после родов, когда инволюция матки Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 167/235 еще не закончена, либо при воспалении половых органов в кровеносные пути могут проникать продукты распада спермы и образовать антитела против антигенов семени. Эти антитела, приводя к слипанию сперматозоидов, снижают их подвижность в половых путях самки. В случае упорной яловости самки необходимо проводить тесты агглютинации между спермой производителя и ее половыми выделениями, направленные на выявление антител. У крупного рогатого скота двойни бывают одно- и двуяйцевые. Близнецов, развивающихся из одной зиготы называют монозиготными (однояйцевые), а из двух зигот – дизиготными (двуяйцевые). Двуяйцевые близнецы не более родственны между собой, чем обычные брат и сестра. Если двуяйцевые близнецы разнополые, то телки из них часто остаются бесплодными –фримартинами. Поэтому если у двуяйцевых исследовать группы крови, то вероятность того что они имеют идентичные типы крови, будет чрезвычайно мала. К. Келлер (1916) исследовал плаценты одно- и разнополых двоен и установил, что примерно у 90% случаев у рожденных двоен между плодами имелись плацентарные анастомозы (сростание кровеносной системы). Причину бесплодия телок из разнополых двоен он объяснял тем, что в период эмбрионального развития мужская особь начинает вырабатывать мужские половые гормоны раньше, чем женская. Попадая в общий кровоток, мужские половые гормоны задерживают развитие женского полового аппарата. Р. Оуэн (1945) показал, что при этом происходит обмен кровообразующими клетками, которые поселяются и нормально развиваются в организме реципиента. При рождении такие близнецы производят два типа эритроцитов, один из которых соответствует собственному генотипу, другой генотипу близнеца. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 168/235 Это открытие положило новые пути для разработки теории приобретения иммунологической толерантности. Так как обмен кровью у близнецов происходит всегда на ранних стадиях развития, то они не образуют антител на чужеродные белки. Следовательно, близнецы проявляют толерантность к антигенам партнера в течение всей жизни. Используя данное явление у двуяйцевых близнецов можно успешно проводить пересадку органов и тканей, но только при условии, если в эмбриогенезе они были связаны анастомозами сосудов. У всех прочих двуяйцевых близнецов такие пересадки не возможны. Оба типа эритроцитов можно выделить из смеси крови, а их соотношение определить с помощью метода фракционированного гемолиза с последующим прямым подсчетом клеток. Для разнояйцевых двоен характерно то, что если у них отсутствует эмбриональный анастомоз, то они различаются по группам крови. В том случае, когда у них наблюдается анастомоз, то им присущ мозаицизм антигенов групп крови. Прежде, чем установить сам факт мозаицизма необходимо осуществить: гемолитический тест по идентичной реакции клеток обоих близнецов с проявлением ими различной степени гемолиза; посредством дифференциального гемолиза; исследования потомства мозаичных близнецов. Это возможно в отношении мужского партнера т.к. телочка бесплодна. В образовании химиризма участвуют все антигены групп крови кроме антигена J, который у новорожденных телят находится в плазме и переходит на эритроциты через несколько недель после рождения т.к. это естественный антиген крови. Близнецы с идентичным типом крови без мозаицизма являются монозиготными. Монозиготные близнецы очень ценны для генетических исследований, а также для классических опытов по кормлению, ветеринарии Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 169/235 и физиологии. Близнецовый метод дает возможность при относительно небольшом поголовье животных получить достоверные данные о степени влияния факторов среды на проявление нормы реакции генотипа, а так же изучить степень генетической обусловленности в формировании изучаемых признаков. В Швеции были проведены исследования по выявлению мозаицизма у двуяйцевых близнецов. Из 441 пары разнополых близнецов у 12% не было анастомозов сосудов, у 81% был обнаружен мозаицизм эритроцитов, у 1% мозаицизм не обнаружен, у остальных же 6% был унаследован один тип крови. Если у животного установлен мозаицизм эритроцитов, это указывает, что животное из разнополых двоен и присутствует плацентарный анастамоз. А. Соломонова определяла зиготность у 30 двоен электрофоретическими тестами и по группам крови. Было установлено по типам трансферрина (Tf) дизиготность у 18 пар (60,0%), по амилазе (Am) –13 пар (43,3%), по церулоплазмину (Cp) –8 пар (26,7%), по комплексу Tf, Am и Cp –у 21 пары (70%), а только по группам крови –у 25 пар (83,4%). Следует отметить, что мозаицизм эритроцитов в редких случаях встречается также у людей и овец. Исследования антигенов групп крови и биохимического полиморфизма показали, что с их помощью можно выявить до 98% двуяйцевых пар. Достоверность происхождения животных Генетические различия в группах крови и биохимического полиморфизма у большинства видов домашних животных используют в изучении практических и теоритических проблем животноводства и ветеринарии. Гены, определяющие группы крови и полиморфные системы различных белков могут сочетаться друг с другом, образуя столь Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 170/235 разнообразные комбинации, что вероятность появления двух особей с абсолютно одинаковым набором эритроцитарных антигенов и электрофоретических типов белков крови относительно не велика. Впервые использовали группы крови человека Шиф и Адельсберг (1924) для выяснения спорного отцовства, этот метод получил широкое распространение в ряде стран. А. Кемпфер (1932 г.), работал с группами крови у лошадей был первым кто использовал этот метод для проверки отцовства у домашних животных. Проблема контроля происхождения племенного стада стала особенно актуальной при массовом искусственном осеменении. Одна из основных областей практического применения групп крови и полиморфных систем белков и ферментов –иммуногенетический контроль происхождения животных. Организация племенной работы на современном уровне не возможна без контроля достоверности происхождения животных. Исследования отечественных и зарубежных авторов, показали, что ошибки в записях происхождения племенных животных составляют от 5 до 30%. Причины подобных ошибок различны: недостатки в работе техников по искусственному осеменению; из-за несоответствия спермы паспортным данным племпредприятий; потери бирок; неправильного чтения номеров; вследствие путанницы в размещении телят при одновременном отеле нескольких коров и их мечении; неточного ведения племенных записей; из-за осеменения коров семенем разных быков в одну или две смежные охоты. Одни из перечисленных ошибок могут быть устранены улучшением организации работы и улучшением зоотехнического учета, другие устранить труднее, так как они обусловлены естественными колебаниями сроков стельности коров, осеменявшихся при повторных течках разными быками. Обычно, в практической работе, отцом записывают того быка, семенем Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 171/235 которого корова осеменялась последний раз. У крупного рогатого скота значительно варьирует цикл течки и ее продолжительность. Следовательно такой подход биологически не обоснован, и так как стельная корова может на любой стадии стельности прийти в охоту. Во многих случаях по дате отела, который ожидается после повторного осеменения, определить отца теленка невозможно. Является ли беременность результатом первого или второго осеменения, будет, конечно зависеть от времени отела по отношению к срокам осеменения. Отелы, получаемые после осеменения с нормальным интервалом в 21 день, происходит в период, находящийся по времени в пределах естественных вариаций по отношению к срокам обоих осеменений. Если интервал между осеменением будет меньше 12 дней, то определить отцовство по времени продолжительность отела беременности практически у коров невозможно. составляет 280 Средняя дней с колебаниями от 270 до 292. Если учесть эти колебания в сроках беременности, а также то, что часть коров осеменялась в первую течку, а часть –во вторую, то окажется, что 6% коров первой группы отелится одновременно с 6% коров второй группы. Следовательно, при осеменении коров в две последующие течки семенем разных быков около 6% телят родится в один и тот же период и отцом их может быть как первый, так и второй бык (Дж. Рендел). Если корова недогуливала или перегуливала по 3 дня и более в сравнении с нормой по отношению ко второму осеменению, телята родились от первого отца. Исследования показали, что при таких особенностях полового цикла, точность записи отца в племенных документах не может основываться лишь на традиционных методах. Наряду с группами крови для контроля происхождения скота используют наследственные типы белков. Контроль отцовства (материнства) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 172/235 основывается на принципе исключения. Группы крови имеющиеся у потомка, должны встречаться у одного или обоих его родителей. В противном случае сведения о происхождении потомка неверны. При установлении происхождения важно выяснить не только групповые антигены (фенотипы) у родителей и потомков, но и контролирующие их аллели, т.е. установить генотипы. При определении достоверности записи происхождения у потомка 3 выявлены только такие группы крови которые имелись у родителей: подлинность его происхождения не вызывает сомнения. У потомка 5, кроме аллелей, унаследованных от матери в В-, С-, F-, L-, S-, и Tf локусах, обнаружены аллели отсутствующие у отца 1, который, согласно записям, числится его отцом: следовательно, отцовство этого быка исключается. Иммуногенетическим методом можно не только подтверждать или исключать отцовство или материнство, но в ряде случаев можно найти вероятных отцов, если они по каким-либо причинам указаны в родословных не правильно. Проведено исследование с целью установления вероятных отцов потомкам, у которых они указаны ошибочно. Так, потомок 8 в В-, С-, и М системах групп крови имеет аллели (в, C1EWL’ и М соответственно), отсутствующие у его отца, быка 6. Следовательно, отцовство этого быка исключается. Вероятным отцом потомка следует считать быка 9, который имеет в своем генотипе все недостающие аллели. Существенным доказательством при этом служит аллель М в одноименном локусе, обладателем которого является бык 9. На этой же таблице видно, что отцом потомка 12 не может быть бык 10, поскольку он не унаследовал от этого быка ни аллеля Q, ни аллеля I1G’, которые тот передал своим потомкам в Всистеме групп крови. У потомка 12, кроме материнского аллеля I1Y2A’, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» подтверждающего подлинность матери, обнаружен Лист 173/235 аллель А’B’, отсутствующий у быка 10. В системах с более чем двумя аллелями наиболее эффективными при контроле происхождения лошадей является системы Tf и D групп крови. Стормонт приводит теоретические расчеты эффективности контроля происхождения и идентификации лошадей при использовании в тестах 16 реагентов для восьми систем групп крови –теоретически возможно различать у лошадей 16.384 типа крови и исключить неправильное отцовство не более, чем в 50% случаев, когда возникают сомнения относительно отцовства двух жеребцов. Если к группам крови прибавить типы Tf (6 аллелей и 21 тип) и альбумина (2 аллеля и 3 типа), то можно дифференцировать 1.032192 типа крови и исключить ошибки отцовства в родословных в 70% случаев. При использовании других элетрофоретических маркеров число различных типов крови приближается к 125·108. Хотя при этом многие маркеры будут встречаться крайне редко, все же мало вероятно, чтобы при тестировании 1000 или 2000 лошадей встретились две лошади с идентичными типами крови. Следовательно, разрешающая способность генетического контроля происхождения скота зависит не только от количества одновременно исследуемых эритроцитарных антигенов и полиморфных систем белков, но и от степени генетического разнообразия популяции, тем меньше вероятность встречи в ней особей, имеющих одинаковые группы крови и типы белков и тем выше эффективность генетического контроля. Иммуногенетический контроль достоверности происхождения животных возможен благодаря огромному числу комбинаций групп крови и типов белков, неизменности антигенных факторов в течении онтогенеза и кодоминантному типу наследования. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 174/235 Общебиологическое представление о природе полиморфизма и его роль в эволюции Полиморфизм распространен очень широко. Он обнаружен во всех классах животных – от простейших до позвоночных. Термин «полиморфизм» охватывает многие фенотипические признаки, при условии, что они находятся под генетическим контролем и фенотипическое проявление более или менее прерывисто. Понятие «полиморфизм» введено Е. Фордом (1945) применительно к различиям какого либо признака, обусловленным наследственностью. Поэтому правильнее во многих случаях пользоваться выражением «генетический полиморфизм», под которым понимают существование в популяции дискретного (качественного) признака в двух или нескольких вариациях. При этом даже наиболее редко встречающиеся вариации не могут быть только следствием мутации гена в данном локусе, а обусловлены действием искусственного), на популяцию способствующего отбора (естественного большому или или меньшему распространению в ней нового генного изменения. Гены, определяющие полиморфные признаки, имеют ярко выраженный прерывистый эффект и различные генотипы полиморфизм (в различаются частности фенотипически. «биохимический»), Таким образом, приводящий к одновременному существованию в популяции нескольких аллелей того же локуса и проявляющийся в разных дискретных фенотипах, есть следствие действия отбора на возникающие мутации. Р. Фишер и Е. Форд, исследовавшие явление генетического полиморфизма и разработавшие основные его положения, указывали, что возникновение гетерозиготного состояния данного локуса в результате сосредоточения нормального и мутантного аллеля создает для такого гетерозиготного организма возможности преимущественного выживания, реализуемого при действии отбора. Тем самым отбор благоприятствует Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 175/235 распространению в популяции через гетерозиготных особей того или иного аллеля, в результате чего в ней создаются условия для сохранения и распространения полиморфизма. Отсюда частота каждого аллеля, входящего в полиморфную систему, будет выше частоты этого аллеля, обуславливаемой мутационным процессом без давления со стороны отбора. Полиморфизм основывается и создается посредством определенных механизмов, таких как мутации, отбор генов и преимущество гетерозигот. Популяция, которая не подверглась воздействию таких факторов, не имеет полиморфного разнообразия, приспособлена к более узкому диапазону условий, более специализирована и, следовательно, более подвержена опасности вымирания. Разнообразие внешних условий благоприятствует генетическому разнообразию популяции и, таким образом, противодействует убыванию генетической изменчивости. Полиморфизм популяции связан, как правило, с распространенностью гетерозиготных организмов. Как указывал Добжанский, что генетическая изменчивость позволяет полиморфным организмам лучше и полнее использовать окружающую среду. Е. Фишер (1930) показал возможность сохранения в популяции высокой частоты двух аллелей при условии, что приспособленность гетерозиготных (Аа) будет выше, чем приспособленность одной из гомозигот (АА или аа). Если даже гомозигота “аа” значительно менее жизнеспособна, чем АА, а может быть, и летальна, ген «а» все же удерживается в популяции при условии, что гетерозигота Аа имеет более высокую селективную ценность, чем гомозигота АА. Запас генов «а» будет постоянно пополняться за счет выщепления гетерозиготного генотипа Аа, которому благоприятствует отбор. Преимущество гетерозигот можно объяснить двумя их белковыми или ферментными продуктами, детерминируемыми разными аллелями одного локуса, что приводит к созданию сложных «гибридных» молекул, лучше выполняющих свою Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 176/235 функцию. У гомозигот же синтезируется белок одного типа, обусловленный действием одинаковых аллелей данного локуса. Полиморфизм, поддерживаемый такой сверхдоминантностью гетерозигот был назван Е. Фордом, “сбалансированным полиморфизмом”. В общей сложности преимущество гетерозигот не представляется особенно эффективным механизмом поддержания приспособленности популяций. При этом не удается избежать расточительного продуцирования (путем выщепления в каждом поколении) гомозигот, уступающих по своей приспособленности гетерозиготам. Исходя из такой расточительности следует сделать предположение, что мутантный ген выгодный в своем гетерозиготном выражении, но неблагоприятный в гомозиготном, со временем, вероятно, обычно замещается мутантными генами с выражением, менее отклоняющимся от нормального, который дает такое же преимущество, находясь в гомозиготном состоянии. В то же время E. Лернерт (1954) возражал, что это вовсе не обязательно и что вряд ли гомозигота может быть в принципе лучше гетерозиготы. Следует отметить, что гетерозиготы не только обладают большой морфогенетической пластичностью и более эффективным гомеостазом, но создавая в каждом поколении по три генотипа, придают генофонду большую эволюционную пластичность и обеспечивают возможность более быстрых сдвигов при изменении внешних условий. Эволюционная роль полиморфизма особенно заметна если аллели гена, входящие в полиморфную систему данного локуса и обуславливающие полиморфизм фенотипов, характеризуются плейотронным действием, то есть оказывают влияние не на один, а на несколько различных фенотипических признаков организма. Сбалансированный полиморфизм достаточно важен для эволюции, поскольку он позволяет сохранить известный уровень изменчивости в популяции. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 177/235 Тимофеев-Ресовский (1967) указывает, что под полиморфизмом, в узком смысле слова, следует понимать лишь те случаи, когда в определенной популяции или группах популяций определенного вида живых организмов в течение относительно длительного времени, то есть многих поколений, поддерживается динамическое равновесие между двумя или несколькими генетически различимыми и достаточно точно установленными морфологическими формами. Л. Богданов и целый ряд других ученых высказывают мысль о том, что полиморфизм по некоторым локусам сложился и был сбалансирован в прошлые времена, а в изменившихся условиях среды стал физиологически нейтральным и в таком виде (именно в силу нейтральности) дошел до наших дней. Нейтрального полиморфизма нет. При любом полиморфном состоянии аллель может оказывать на фенотип селективное действие той или иной силы и плейотропного направленности действия на генов фоне в широко генотипе. распространенного Если рассматривать наследственный полиморфизм как источник изменчивости генома, то становится очевидным практически необозримое поле наследуемой изменчивости. Однако возникает вопрос: какое биологическое значение имеет мономорфизм, при котором отсутствует наличие нескольких аллелей, но который в пределах данного локуса так же характеризует популяцию. Рассматривая явление полиморфизма и мономорфизма, надо полагать, что ни один из них порознь не лишено самостоятельного значения. Следовательно одно лишь обнаружение полиморфизма свидетельствует как о прошедших, так и о продолжающихся эволюционных сдвигов. В организации генетического материала имеется двойственность: с одной стороны, существуют единичные локусы, с другой множественные гены, объединенные в системы, единые в функциональном отношении. Однако в Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 178/235 каждой из обследованных популяций помимо полиморфизма белковых маркеров – генов в одних и тех же методических условиях обнаруживается и мономорфизм, инвариантные белки. Мономорфные белки представлены лишь одной формой, как будто контролирующей ее ген не подчиняется закону мутирования. Количество мономорфных систем различно, согласно Ю. Алтухова, мономорфные локусы у некоторых рыб составляют 2/3 общего числа генов. Между моно- и полиморфными системами имеются степени перехода. Так гемоглобин, в известном смысле, является мономорфным белком у некоторых видов, поскольку различия форм гемоглобина связаны не только с множественным аллелизмом, но и с включением в ходе развития особей разных генов, контролирующих синтез разных видов этого белка. На примере гемоглобина можно понять причину мономорфизма: мономорфные белки выполняют особо важные для жизни функции и мутации их генов должны быть летальными либо приносить организму существенный ущерб. Мономорфными могут быть белки у одного вида и полиморфными у другого вида или расы. Так фермент изоцитратдегидрогеназа полиморфен у индейцев и мономорфен у американцев европейского происхождения. Фермент альфа – глицерофосфатдегидрогеназа, полиморфен у многих видов животных, в то же время оказался мономорфным почти у 200 изученных видов дрозофилы. Это указывает, что возможность разнообразия форм белка зависит от положения гена в генной системе. Широкий спектр мутаций гена оказывается полезным у одних видов и разновидностей и, в то же время как бы запрещен у других. Это позволяет видеть, что генетический полиморфизм и генетический мономорфизм белков обеспечивают в каждом конкретном случае оптимальное соотношение процессов развития, баланс генов гарантирующий приспособительные возможности особи. Мутации генов нарушают этот баланс, однако, отбор создает новые сочетания генов и их Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 179/235 аллелей в системе скрещивания особей и испытания генных комбинаций в реальных условиях среды. Мономорфизм выглядит как отсутствие индивидуальных вариаций в числе и подвижности белковых зон на фореграммах, исключая лишь онтогенетическую изменчивость и вариации в интенсивности окраски, что может быть связано с индивидуальными отличиями в активности, либо в количестве генопродукта. Современные методы электрофоретического исследования различных белков, позволяющие выявить мономорфизм у большого числа популяций, указывает на универсальность генетического мономорфизма в природе. Существование в природе явления полиморфизма и мономорфизма позволяет представить их в виде такой функциональной системы, в которой мономорфные признаки отражают наличие кардинальных функций, остающихся неизменными в меняющейся среде. Важнейшим свойством живого организма является его способность к обмену веществ, в основе которого лежат химические реакции, катализируемые ферментами. Обмен веществ детерминирован генетической программой организма, по выражению Р. Вагнера и Т. Митчелла (1958): «Наследственность – это повторение в последующих поколениях одинаковых форм обмена». Одно из направлений в сравнительной биохимии ферментов связано с обнаружением множественности молекулярных форм ферментов в одной и той же ткани. Для обозначения множественных форм ферментов, встречающихся у одного и того же вида, рекомендован термин «изофермент», ясно выражающий существо вопроса. Термин «изофермент – isoenzymi» используется для обозначения белков, обладающих ферментативной активностью и встречающийся у одного и того же биологического вида, но различающаяся по ряду физико-химических свойств. Установлено, что гены оказывают влияние на фенотип, контролируя Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 180/235 синтез ферментов. Биохимическая генетика таким образом строится на известной теории Бидла и Татума «один ген – один фермент» которая в настоящее время заменяется тезисом «один ген – одна полипептидная цепь». Множественные формы ферментов обусловлены генетическими причинами и кодоминантным типом наследования большинства полиморфных систем. Существование ферментов в виде нескольких полиморфных систем приводит к мысли о том, что благодаря нескольким аллельным формам (изоферменты) один и тот же фермент может оказывать на жизненные процессы специфическое влияние. Обусловленность изоферментов действием аллели одного и того же локуса свидетельствует о генетической связи особенностей их действия и участия в обменных процессах с полиморфностью ферментов. Присутствие в организме изоферментов создает повышенный источник генетической изменчивости, расширяет приспособительные реакции животного в результате увеличения специфического действия каждого изофермента. Изоферменты, детерминированные аллелями одного и того же локуса, отличаются друг от друга молекулярным строением, выражающимся в замене некоторых аминокислотных остатков белковой молекулы фермента на другие, в смене мест или порядка чередования аминокислотных остатков в цепочке нуклеотида. Эти структурные различия в молекулах изоферментов одного и того же локуса не могут не отражаться на биохимической специфике фермента. Биохимические полиморфные системы у млекопитающих особенно у сельскохозяйственных основаниях: - животных во-первых, они должны дают изучаться информацию на следующих о химической индивидуальности членов вида, что интересно само по себе и может быть причиной тканевой несовместимости; во-вторых, они показывают как продукты тесно сцепленных генов могут различаться и таким образом дают возможность понять влияние мутаций различных генов на их конечные Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 181/235 продукты; в-третьих, выяснение селективных факторов, действующих на несколько генотипов, позволяет понять генетические механизмы, которыми полиморфизм поддерживается в популяции; в-четвертых, различие в частотах генов для различных пород и рас могут служить указателем происхождения полиморфные отдельных системы популяций; дают и маркирующие в-пятых, локусы биохимические на хромосомах изучаемых животных. Молочные белки делятся на две основные группы: казеин и сывороточные белки. На долю казеина, который представлен несколькими фракциями (α, β, æ и γ) приходится более 80 % всего молочного белка. Около 17 % составляют сывороточные белки. К ним относятся α - лактоальбумин, β - лактоглобулин, а также иммуноглобулины и сывороточный альбумин. Белки молока синтезируют на рибосомах эндоплазматического ретикула клеток (ER). При использовании аминокислот, меченных радиоактивными изотопами, в получении радиоавтографии был прослежен синтез белка в условиях in vitro (на живой молочной железе), а затем был осуществлен синтез белков молока в условиях in vitro на свободных клеточных системах. Образованные на рибосомах молекулы белка движутся в цитоплазме к комплексу Гольджи через полость ER. Считают, что именно в области этого комплекса происходит ряд метаболических процессов осуществляется синтез лактозы, к æ-казеину присоединяется углеводород и, вероятно протекает фосфорилирование определенных казеиновых компонентов. В вакуолях комплекса Гольджи образуется нити казеина и мицелий белка. Вакуоли передвигаются из области их образования в основании секреторной клетки малого эпителия (в апикальную область клетки). Когда вакуоли приближаются к альвеолярной полости (полости альвеолярного пузырька молочной железы), образование белкового мицелия почти завершено. Все процессы происходящие в Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 182/235 молочной железе по образованию структурных белков молока находится под генетическим контролем. При проведении электрофоретического анализа оказалось, что все белки неоднородны и имеют сложный состав. Каждый белок присутствует в двух и более формах, наличие которых генетически обусловлено аутосомальными кодоминантными аллелями. Гены всех фракций казеинов локализуются на 6-ой хромосоме в виде генного кластера и образуют одну группу сцепления. Полиморфизм белков молока позволяет изучать в генетическом аспекте следующие вопросы: 1) Связь биосинтеза молока с первичными структурами полиморфных белков. 2) Биологическую функцию полиморфных вариантов белков молока. 3) Образование мицелия казеина в условиях in vitro. 4) Роль кодонов м-РНК в замещении аминокислот в полипептидных цепях полиморфных белков. 5) Связь белков полиморфных типов с технологическими свойствами молока и с уровнем продуктивности животных. Методы выявления полиморфизма белков Основным методом определения полиморфизма служит электрофорез в крахмальном (Smithies, 1955) и полиакзиламидном геле (Raymond, 1959), и иммуноэлектрофорез с использованием буферных растворов определенного рH, ионной силы и других показателей. Крахмальный и полиакриламидный гель служит в качестве молекулярного «сита». По завершению разгонки образцов в условиях электрического поля разные фракции полиморфных систем на носителе (крахмальный гель) отходят друг от друга и в соответствии с размерами своей молекулы и величиной электрического заряда перемещаются в молекулярном «сите» от линии старта в направлении от катода (-) к аноду (+) с разной скоростью. Затем ферограммы окрашивают и на геле появляются Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» окрашенные полосы соответствующие Лист 183/235 определенному белку соответствующей полиморфной системе. Методом электрофореза изучается разнообразие белковых молекул в крови, молоке яичном белке, семенной жидкости, лимфе, мышцах, коже и других тканях. Электрофоретические варианты различных белков, генетическую основу которых обозначают тем или иным аллелем данной системы, на фореграмме могут иметь вид от одной до нескольких зон или нескольких темных пятен или полосок, отличающихся взаиморасположением. Сочетание методов электрофоретического разделения с последующей гистохимической обработкой позволяет выявлять целый ряд изоферментов. Основным источником материала для электрофоретических исследований белков у птиц является белок яиц (жидкий слой), кровь (сыворотка, плазма, эритроциты), семенная плазма и различные ткани (сердечная мышца, печень, поджелудочная железа и др.). Метод иммунофореза сочетает в себе два принципа разделения белковой смеси: а) по электрофоретической подвижности молекул и в) по иммунологической их специфичности (на основе серологических реакций). Исследуемая жидкость методом иммунофореза дифференцирующего в электрическом поле по скорости движения в ней молекул разных белков, антигены которых одновременно вступают в реакцию с антителами иммунной сыворотки. Это приводит к образованию на фореграмме специфических дуг преципитации. Таким образом, иммуноэлектрофорез позволяет определить число антигенных факторов и подвижность их в электрическом поле. Иммуноэлектрофорез был использован при анализе семенной жидкости и плазмы быков-производителей. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 184/235 В эякулятах быков-производителей было установлено семь локусов белков, каждый из которых проявляется на фореграмме рядом зон различной подвижности. Также описан полиморфизм эстераз в эякуляте быка. (Ю. Шапиро и Е. Мандрусова, 1978). Обозначение буквенными символами генов, генотипов и фенотипов полиморфных белков следующим образом. При обозначении генов пишут символ локуса с верхним индексом символа гена. Так, в гемоглобиновом локусе гены А и В отмечаются: ген – НЬА, НЬВ; генотип НЬА/НЬА, НЬВ/НЬВ. В связи с кодоминантным наследованием фенотипы соответствуют генотипам: НЬАА (НЬА); НЬАВ; НЬВВ (НЬВ). У сельскохозяйственных животных изучено более 150 полиморфных локусов и свыше 450 аллелей. В таблице приведены наиболее изученные полиморфные системы у сельскохозяйственных животных. Большую группу полиморфных генетических систем образуют белки и ферменты сыворотки и эритроцитов крови, молока, семенной жидкости, белков яиц и других тканей тела. Выявлено большое количество локусов и аллелей, гены которых определяют синтез белков и ферменты полиморфного типа. У разных видов животных число локусов и аллелей, вызывающих биохимический полиморфизм различно. Наиболее изучен полиморфизм генетических систем у крупного рогатого скота, выявленного электрофоретическими тестами, число локусов которых составляет свыше 60 4 аллелей более 150. Между некоторыми системами установлено сцепление. Так, например, установлена связь НЬ-и J-система групп крови (B. Larsen, 1966), между β-Zg и J (H. Hines, 1976) и между αS1-β- и æ – Cn (F. Groselaude, 1965). Генетические варианты белков сравнительно легко выявляются, детерминирующие их гены наследуются кодоминантно. Это обстоятельство делает их удобными при оценке интерьерных показателей животных. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 185/235 Некоторые из этих систем довольно хорошо изучены и используются в селекционно-племеной работе. В сыворотке крови и эритроцитах лошадей электрофоретическими методами идентифицировано 15 систем белков и ферментов. Полиморфные локусы у лошадей независимо наследуются между собой. Исключение составляет сцепление локуса К-групп крови и локуса 6-PGD. Не исключено также сцепление локусов определяющих полиморфизм Аlb (альбумина с пегой окраской у шотландского пони). Между расами лошадей обнаружены различия по уровню калия в эритроцитах. Тяжелые и легкие породы их различаются по частоте некоторых аллелей полиморфных систем и групп крови. Селекция по скорости скачки чистокровных лошадей в различных частях мира приводит к снижению фенотипической вариабельности в полиморфных локусах и повышается сходство в генетической структуре по ним. Для большинства полиморфных локусов у всех видов сельскохозяйственных животных характерно наличие двух аллелей, но некоторые локусы проявляют изменчивость аллельного разнообразие множественный аллелизм. Большая состава локусов обеспечивает повышенное синтезируемых белков, что расширяет биологическую приспособленность к условиям среды. Приведем характеристику наиболее исследованных полиморфных систем. Система гемоглобина (НЬ). Гемоглобин сложный белок содержащийся в эритроцитах, состоит примерно на 4 % красящего вещества гемма и на 96 % из белка глобина. Основная функция гемоглобина (НЬ) связана с процессом дыхания, выражается он в связывании кислорода и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 186/235 отдаче его тканям, а также в переносе углекислоты. В процессе онтогенеза синтезируется три формы гемоглобина: гемоглобин взрослых особей, гемоглобин эмбриона (фетальный НЬF) и гемоглобин раннего эмбрионального развития (НЬР). НЬР и НЬF в условиях внутриутробного развития организма обладает боле высокой способностью связываться с кислородом, что приводит к адаптации эмбриона к условиям пониженного содержания кислорода. Предполагают, что НЬF синтезируется в печени, а взрослый в костном мозге. Имеются данные, что в организме одновременно существуют эритроциты двух типов: одни несут только НЬF, а другие только взрослый, а также, что в одном эритроците может находится НЬF и взрослого типов. Каждой из форм НЬР и НЬF присущи свои молекулярные особенности. В молекулу НЬ взрослой особи входят две α-цепи и две β–цепи, в молекулу НЬF – две α-цепи и две γ–цепи и в молекулу НЬР - α-цепи и две –цепи. Каждая из цепей состоит из 140-150 аминокислотных остатков. α-, β, γ-, -цепи отличаются друг от друга последовательностью аминокислот. Аминокислотный состав НЬF несколько отличается от взрослого гемоглобина. НЬF заменяется взрослым НЬ примерно к 2,5-4 месячному возрасту, следовательно, у телят определение НЬ следует проводить не раньше 8-ми месячного возраста (Е. Меркурьева, 1963). Систематическое изучение типов НЬ проводится с открытия серповидно-клеточной анемии у человека (1949). Изучение генетической природы данного заболевания, открытого Л. Полингом, показало, что даже незначительные изменения структур НЬ сопровождаются изменением его физико-химических свойств. У человека кроме нормального НЬА, известно около 400 аномальных вариантов. В районах распространения тропической малярии люди несущие в своем генотипе гомозиготный НЬS/S погибают в раннем детстве от серповидно-клеточной анемии, гетерозиготы НЬА/S – устойчивы к малярии, а лица с нормальным генотипом НЬА/А предрасположены к болезни. В. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 187/235 Эфроимсон (1968) выдвинул гипотезу о том, что иммунитет к малярии имеет адаптивное значение и обусловлен изменением молекулы НЬS, которое препятствует его использованию малярийным плазмодием. Полиморфизм трансферрина (Tf). К металлопротенам принадлежит имеющаяся в группе β-глобулинов особый компонент, трансферрин (сидерофиллин). Как белок – специфический переносчик железа в плазме – Tf играет важную роль в обмене железа в организме. Связующим звеном между различными формами тканевого и запасного железа является Tf. Только 1 % железа находится в сыворотке, это эквивалентно количеству железа, связаному с Tf, поскольку фактически все железо сыворотки связано с Tf. Трансферрин оставляет около 3-6 % всех белков сыворотки крови и синтезируется в клетках печени. Молекула Tf состоит из одной полипептидной цепи, включающей приблизительно 750 аминокислот. Tf обладает бактерицидными свойствами, угнетает размножение вирусов. Его содержание повышается при анемиях у человека и понижается при ряде инфекционных заболеваний: циррозе печени, раке. Молекулы разных типов отличаются друг от друга по величине электрического заряда, а не своими размерами. Установлено, что между быстрым и медленным вариантом Tf у человека выявлена разница в 4 единицы заряда. Полиморфные варианты Tf различаются тем, что у них замещена одна аминокислота. При электрофоретической разгонке образцов сыворотки крови на крахмальном геле образуется несколько зон, четко различных после окрашивания фореграмм. У крупного рогатого скота полиморфизм был обнаружен Эштоном в 1957 году. Согласно результатам генетического анализа, двенадцать его генотипов обнаруженных на фореграммах. Наблюдается значительная генетическая изменчивость особей по локусу Tf в пределах породы в результате выявления в таких популяциях Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 188/235 нескольких его аллелей. Генетическая изменчивость между породами проявляется также в различной частоте одинаковых аллелей. Генетический полиморфизм Tf выявлен у лошадей и установлено 10 аллелей, у свиней – 5, овец – 14 и кур – 4. Межпородные групповые различия в частоте аллелей, наблюдаются значительная внутренняя изменчивость в генной частоте локуса трансферрина. Полиморфизм церулоплазмина (Ср). В молекулу Ср входит медь и двухвалентная медь Ср обеспечивает высокою каталитическую активность этого белка. Синтез Ср осуществляется в печени. Он участвует в регуляции абсорбции меди из кишечника, в реакциях по переносу водорода и катализирует синтез НЬ, влияя на переход двухвалентных ионов железа в трехвалентные. Считается, что Ср служит регулятором медного баланса в организме, способствуя выведению из него избытка меди. Молекула Ср состоит из нескольких полипептидных цепей. Полиморфизм Ср выявлен в 1967 году при этом были установлены два аллеля Ср А и СрВ, обуславливающие три генотипа СрА/СрА, СрВ/СрВ, СрА/СрВ, затем был выявлен аллель СрС. Полиморфизм карбоангидразы (Са). Фермент Са содержится в эритроцитах. Его роль в организме состоит в ускорении реакции соединении двуокиси углерода (СО2) из капилляров с водой плазмы крови с образованием угольной кислоты. Са выполняет важную роль в клеточном и тканевом дыхании и принимает участи в выделении желудочной соляной кислоты. В состав Са входит цинк. На фермент Са оказывает сильное тормозное действие сульфамидные препараты. Избыточное применение таких препаратов может привести животное к гибели в результате торможения дыхательных процессов или к патологии секреции желудочного сока. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 189/235 Полиморфизм Са выявлен у крупного рогатого скота в 1966 году. Выявлено 10 генотипов, контролируемые четырьмя кодоминантными аутосомными аллелями: СаF, CaS, CaC и CaS! Полиморфизм Са выявлен и у других видов животных, так у лошадей установлено 5 аллелей, свиней – 2 и овец – 2. Полиморфизм амилазы (Am). Амилаза является ферментом, участвующим в углеводородном обмене и катализирует гидролиз крахмала и гликогена. Различают амилазы трех типов α-, β-, и γ- по своему действию на углеводы. α-амилаза обнаружена у животных в крови и тканях различных органов. В 1958 году был выявлен полиморфизм амилазы у крупного рогатого скота. Обусловлен он тремя аллелями: AmA, AmB и AmC, каждый из которых определяет одну зону на фореграмме. Также в сыворотке крови крупного рогатого скота обнаружена еще одна полиморфная система амилазы, контролируемая двумя аллелями, которые на фореграмме проявляются в зоне SL-протеина. Локус этой системы обозначен AmB, с аллелями AmBB и AmBC. В результате исследований выявлены межпородные и внутрипородные различия по частоте аллелей и фенотипов амилазы. Полиморфизм Am выявлен и у других видов животных, так у свиней установлено 5 аллелей, овец–2 и кур–2. Полиморфизм белков молока Типы α-лактоальбумина (α - La). Полиморфизм α – La контролируется двумя генами, определяющими трех возможных фенотипов: α – La А/ α – La А, α – La В/ α – La В и α – La А/ α – La В. Типы α – La обладают кодоминантным характером наследования. Сывороточный белок α - La –высокоорганизованный белок и его генетический полиморфизм играет важную биологическую роль. Два полиморфных состояния, отличающиеся друг от друга замещением одной Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 190/235 кислоты (глутамин замещен аспарагином). α - La составляет 12% общего количества сывороточных белков. Он характеризуется повышенным содержанием аспарагиновой кислоты, цистина, глицина, глутаминовая кислота и особенно триптофана. В молекуле белка варианта А нет аспарагиновой кислоты. Последняя замещена глутаминовой кислотой или глутамином. Согласно генетическому коду, вероятнее всего, что аспаргиновая кислота замещена глутамином. β цепи α - La выявлено последовательное чередование 123 аминокислот. Обнаружено, что α - La варианта B функционирует в качестве специфического белка, участвующего в синтезе лактозы. Типы β-лактоглобулинов (β - Lg), обнаружены Р. Ашаффенбург и Й. Друри (1955) на фореграммах в виде двух электрофоретически различных типов β лактоглобулина А и В положило начало изучению в генетическом плане основных белков коровьего молока. Разделение белков молока на варианты с использованием метода электрофореза отражает, прежде всего, различия в заряде данной белковой молекулы. Обмен незаряженными аминокислотами не будет отражен в электрофорезном движении и потребует других методов обнаружения. По аминокислотному составу вариант А β -Lg отличается от варианта В тем, что в 68-й позиции у первого находится валин, а у второго-аланин; в 120-122-й позициях соответственно аспарагиновая кислота и глицин. Эти структурные различия в молекулах β –Lg А и β –Lg В оказывают большое влияние на свойства белка обоих вариантов. β –Lg А в зависимости от реакции среды может быть подвергнут тетрамеризации, то степень агрегации β –Lg В из-за разницы в аминокислотном составе проявляется слабее. Вариант β –Lg С при электрофорезе продвигается немного медленнее типа β –Lg В, что затрудняет Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 191/235 его фенотипирование. По аминокислотным остаткам первый отличается от второго тем, что глутатион в нем замещен гистидином. Вариант β –Lg С настолько отличается от варианта β –Lg А, что не вступает в реакцию тетрамеризации. β –Lg проявляет избирательность по отношению к фосфатам, отличающимся низкой молекулярной массой и участвует в регуляции фосфатного обмена молочной железой. Если β –Lg действительно является регулятором метаболизма молочной железы и если это связано с β – Lg А или β –Lg В, то создается возможность использования указанного свойства β –Lg в генетической детерминации активности молочной железы. Полиморфизм белков казеинового комплекса Все белковые компоненты молока казеинового комплекса αS1 - , β - , æ – и γ – казеины встречаются в форме продуктов аутосомных генов, которые передаются от родителей к потомству, по законам Менделя и представляют собой кодоминантные аллели, обнаруженные по одиночке в гомозиготах, либо попарно – в гетерозиготах. Гены всех фракций казеинов локализуются на 6 хромосоме в виде генного кластера и образуют одну группу сцепления. αS1 - казеин (αS1 – Cn), кальций чувствительная классического казеинового комплекса, которая составляет до 45 % всего казеина. Полиморфизм казеинового комплекса не оказывает особого влияния на мицелевую структуру этого белка. Установлены существенные различия по встречаемости аллелей и генотипов белков молока между породами и популяциями. В системе αS1 – Cn наиболее распространенным является аллель В. При производстве твердых сыров молоко коров, несущих аллель αS1 – Cn А труднее перерабатывается и снижает качество сыра. Локус β – казеин (β – Cn) составляет 30 % всего казеина. Для него известны 4 аллеля (А, В, С, D). Вариант β – CnА обнаружен электрофорезом Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 192/235 при щелочном буфере, после разделения белка в кислой среде было выделено три его подтипа – А1, А2 и А3. Молекулы трех вариантов (А1, А2 и А3) белка локуса β – Cn отличается между собой по содержанию гистидина. Белок типа β – CnD отличается от белка варианта β – Cn В по содержанию лизина, аргинина и гистидина. Локус æ – казеин (æ – Cn). В основе белкового полиморфизма æ – Cn лежит генетический полиморфизм последовательности гена æ – Cn. Все аминокислотные замены нуклеотидными заменами в последовательности в соответствующей белка обусловлены протеин-кодирующей последовательности ДНК. æ – белок нечувствителен к воздействию ионов кальция: он не свертывается под их влиянием. æ – белок выполняет основную функцию в стабилизации казеинового мицелия; æ – Cn составляет около 15 % всего казеина. Аминокислотный состав обоих вариантов æ – Cn сходен лишь у типа А на один остаток больше треопина и аспарагиновой кислоты, чем у типа В: а у варианта В на один остаток аланина и изолейцина больше, чем у типа А, такое различие в составе молекул æ – Cn обоих вариантов наблюдается в растворимой части белковой цепи при действии ренина. В нерастворимой части этих различий нет. В настоящее время известно 10 аллелей æ – Cn (А, В, С, E, F … ) при разведении крупного рогатого скота предпочтительным является увеличение частоты аллеля В æ – Cn в популяции, так как он коррелирует с более высоким содержанием общего белка в молоке, повышенным содержанием æ – Cn, а также лучшими сыродельными характеристиками молока. Исследования генетического полиморфизма белков, ферментов и других тканей организма, и их значение в жизнедеятельности животных послужило основанием для проведения поисков в целях выявления связи между локусами, генотипами и аллелями этих систем, а также судить о состоянии адаптации животных к условиях среды, новым технологиям Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 193/235 содержания, выявлять норму реакции генетических систем на эти факторы, установить ценные свойства этих систем для аборигенных пород и сохранения их генофонда. С полиморфными генетическими системами связан ряд жизненно важных свойств организме: здоровье и резистентность к инфекционному началу и стрессовым факторам, повышению воспроизводительной функции и продуктивности. Биохимический полиморфизм является основным биотехнологическим приемом улучшения наследственной обусловленности и повышения фенотипических качеств отдельных индивидуумов и популяций сельскохозяйственных животных. Главный комплекс гистосовместимости представляет собой полиморфную генетическую систему. Первоначально предполагали, что ведущая функция главного комплекса гистосовместимости (МНС) заключается в определении судьбы трансплантата. Однако уже в 70-е годы сложилась концепция, согласно которой комплекс ответственен за формирование иммунного ответа; взаимодействие макрофагов, Т- и Влимфоцитов; поддержание иммунологического гомеостаза в целом. По современным представлениям система МНС, обеспечивая регуляцию иммунного ответа, осуществляет такие важнейшие физиологические функции, как взаимодействие всех иммуннокомпетентных клеток организма, распознавание своих и чужеродных, в том числе измененных собственных клеток, запуск и реализацию иммунного ответа, и, в целом, обеспечивает выживание человека и животных в условиях экзогенной и эндогенной агрессии (Р. Хаитов, 2000). Первая специфичность главного комплекса гистосовместимости человека была выявлена в 1957 году Р. Пауне и обозначена Мас. Система лейкоцитарных антигенов человека (HLA) расположена на 6-ой паре Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 194/235 аутосомных хромосом человека, на ее коротком плече и занимает расстояние равное 1,6 сантиморганам, которые у разных людей представлены разными генами, в свою очередь ген может существовать в нескольких вариантах, называемых аллелями. В маленьком участке 6-ой хромосомы располагается множество локусов, составляющих главный комплекс тканевой совместимости. Место нахождения МНС на хромосоме определенно методами гибридизации клеток с последующим установлением корреляции с хромосомными маркерами. МНС представляет собой кластер тесно сцепленных генов, состоящий из трех областей (гены классов I, II и III). Продукты генов МНС первоначально идентифицировали по их способности вызывать отторжение трансплантата, они выполняют в организме и другие важные биологические функции. Они служат в роли поверхностных клеточных маркеров, распознаваемых цитотоксическими Т – лимфоцитами и Т – хелперами в комплексе антигенов, а также вовлечены в процессы дифференцировки у эмбрионов и в плаценте. Продукты генов класса I МНС представляют собой трансплантационные антигены. Антигены локализованы на поверхности всех соматических клеток за исключением клеток миокарда и некоторых типов клеток слюнных желез. В гепатоцитах антигены класса I синтезируются слабо либо не синтезируются вовсе. Антигены класса I состоят из двух нековалентно связанных единиц: интегрального мембранного гликопротеида (тяжелой субъединицы) и микроглобулина. Только тяжелая субъединица кодируется МНС, в том время как ген микроглобулина кодируется ан другой хромосоме. биологическая функция их состоит в распознавании чужеродных антигенов и представлении их Т-киллерам. Антигены класса II МНС преимущественно экспрессируются на поверхности иммунных клеток В-лимфоцитов, субпопуляций Т – клеток и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» микрофагов. Это гликолизированные трансмембранные Лист 195/235 полипептиды, состоящие из тяжелой альфа-цепи, нековалентно связанной с меньшей бетацепью. Антигены класса II служат сигналом для узнавания чужеродных антигенов Т-хелперами и наиболее ассоциированы с заболеваниями. К классу III относятся гены кодирующие некоторые компоненты системы комплемента С2, С4, фактор В и другие. Функция антигенов этого класса заключается в том, чтобы взаимодействовать с комплексом антитело – антиген и вызывать лизис чужеродных клеток. В 1972 году были проведены антропологические исследования по системе HLA. Установлено, что концепция о генетической структуре HLA - системе в европейской популяции справедлива и для всех других народов, несмотря на различную частоту встречаемости лейкоцитарных антигенов, и контролирующих их генов в различных популяциях. Локусы антигенов класса I (HLA–системы) весьма полиморфны, причем называются различные причины, поддерживающие столь высокий уровень полиморфизма. Высказываются четыре гипотезы в качестве оснований, вызывающих полиморфизм генов МНС: необычайно высокая степень мутирования; генетическим конверсия материалом; сверхдоминирования. генов или межлокусный частотно-зависимый Наиболее вероятной отбор; считается обмен отбор гипотеза сверхдоминирования (преимущества гетерозигот) обусловленная антигенсвязывающими функциями молекул. Таким образом, в популяции, подверженной воздействию многочисленных патогенов, гетерозиготные индивидуумы будут иметь преимущество, так как смогут связывать большое количество разнообразных чужеродных антигенов (А. Хагес, 1989, Ф. Хедрик, 1991). Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 196/235 В природных популяциях отмечен избыток гетерозигот. Изучение этого явления на молекулярном уровне позволило сделать вывод, что повышенная гетерозиготность, оцениваемая по аминокислотным заменам, характерна для участков молекул класса I HLA- системы, принимающих участие во взаимодействии с пептидами. Несколько ниже уровень гетерозиготности на участках, связывающихся с рецепторами Т-клеток, а наименьший – в консервативных участках молекул. Полученные ряда исследователями результаты подтверждают гипотезу поддержания полиморфизма антигенов МНС с помощью отбора, сверхдоминирования, обусловленного способностью связывать чужеродные антигены и, таким образом, обеспечивающего устойчивость к болезням. Генетический полиморфизм МНС характеризуется чрезвычайным разнообразием аллелей и большим количеством нуклеотидных замен между аллелями. Количество нуклеотидных замен между аллелями одного локуса составляет от 1 до 50 (Ф. Фиджерса, 1988). В HLA – системы в DQ – области на фоне высокого уровня полиморфизма DQB1 отмечен уникальный консерватизм последовательности неэкспрессирующего гена DQB2, DQA2 и DRA. Предполагается, что существуют различные механизмы для поддержания полиморфизма одних генов и мономорфизма других. Возможно наличие участков хромосомы, в которых по структурным или физическим причинам не могут проходить события типа конвергии генов и рекомбинации. Подтверждением этому служит кластерный характер распределения неполиморфных генов на хромосоме. В качестве другого механизма, поддерживающего мономорфизма на уровне последовательности ДНК, следует предположить действие стабилизирующего отбора на продукты гена. Различия в уровне полиморфизма конкретных генов класса II несомненно обусловлены дифференциацией их функций (Я. Бердос, 1989). Отмечено сходство в строении генов класса II МНС для таких видов как Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 197/235 кролик, мышь, крупный рогатый скот, овца и другие. Следует отметить, что для млекопитающих не характерно сходство между аллелями I класса у приматов, что присуще аллелям класса II разных видов плацентарных млекопитающих. Можно предположить, что для генов класса I эволюция шла путем частых дупликаций, кроссинговера, потери дуплицированными генами экспрессии за счет мутаций и делеций локусов. Наиболее вероятным механизмом, приводящим к сходству аллельных вариантов и соответствующих им антиген-узнающих сайтов, служит конверсия генов, обеспечивающая присутствием сходных древних коротких последовательностей в молекулах разных видов. Заметим, что при аллельном межвидовом сходстве в МНС генов класса II у рассматриваемых видов не обязательно должны быть общие патогенны видов. Использование полиморфизма антигенов и структурных белков как маркеров хозяйственно полезных признаков животных Выявленный у животных генетический полиморфизм антигенов и белков крови поставил вопрос перед исследователями о поиске связей между определёнными генами, контролирующими синтез антигенов или варианты белков, и показателями продуктивности, воспроизведения, резистентности и стрессоустойчивости. При обнаружении таких связей между генетическими системами и признакам их можно было бы использовать в целях селекции. С генетической точки зрения между изучаемыми признаками и иммунологическими особенностями могут существовать механизмы трёх типов связи: 1. плейотропное действие генов, ответственных за группы крови и изучаемых признаков продуктивности или резистентность или восприимчивость к болезням; 2. сцепление между генами, ответственными за группы крови, структурные белки и локализованы в тех же хромосомах генами, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» ответственными за хозяйственные признаки и Лист 198/235 резистентность животного. Плейотропное действие довольно трудно отличить от сцепления. При отсутствии кроссинговера комплекс генов, ответственных за антигенные факторы и полиморфные белки, будут передаваться потомкам совместно с генами, ответственными за признаки продуктивности или резистентности; 3. гетерозиготность по аллелям, обуславливающим генетический полиморфизм антигенов групп крови и структурных белков, ведут к улучшению хозяйственно-полезных признаков, или резистентность или восприимчивость к болезням. Из трёх гипотетически возможных связей между иммунологическими показателями и изучаемыми признаками постоянными будут связи, обусловленные плейотропным действием генов и преимуществом гетерозигот. Сцепление могут вызывать только временные связи, сохраняющиеся до момента возникновения кроссинговера. Однако, хозяйственно полезные признаки контролируются многочисленными генами организма, причем влияние среды на фенотипическую ценность признака очень велика. При проведении в стаде систематического отбора по четко определённому признаку на существование связей между генетически полиморфными системами групп крови и типов белков с одной стороны, а с другой стороны резистентности показатели или продуктивности, восприимчивости к воспроизводства, болезням может указывать изменением частоты определённой аллели в последующих поколениях. Значительная гетерогенность популяций, возникающая на базе полиморфизма, является богатейшим резервом изменчивости, используемой непрерывно при эволюционных преобразованиях и в особенности гетерозиготность необходима при резком изменении условий обитания и для Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 199/235 проявления гетерозиса. Адаптивная и селективная ценность одних и тех же аллелей может быть различной. В последнее время высказывается мнение, что при изучении связей генетических полиморфных систем и хозяйственными признаками имеет место генетический маркерный эффект (А.Машуров, 1980), который в определённой мере близок с теорией «сигнальных генов» обоснованной А.Серебровским. В одной группе сцепления маркерные гены могут быть с генами контролирующими селекционируемый признак либо могут сами, своей функцией в организме влиять на этот признак. Это было подтверждено на машинных моделях Л.Животовским. Автор показал, что маркерный эффект проявляется сильнее в малочисленных популяциях, но при большом наборе аллелей. Маркерный эффект увеличивается при наличии генетического сцепления. Отбор животных по генетическим маркерам может сопровождаться сдвигами в отношении других признаков даже при отсутствии плейотропии или сцепления. Механизмы связи генетических маркеров с признаками продуктивности многообразны – плейотропия, сцепление, ложное сцепление, маркерный эффект А.Серебровский предложил называть наблюдаемые корреляции сигнальных генов с другими признаками «условной плейотропией» и отмечая при этом, что плейотропию следует искать в популяциях, а сцепление в родословных. Генетическая детерминация хозяйственных признаков базируется на сложном процессе полигенного контроля. Возможно, что генетические маркеры позволяют использовать аддитивные эффекты отдельных генов, накопившихся в генотипе животных. При этом, однако важно помнить, что подобный эффект будет проявляться до тех пор пока наследуемость селекционируемого признака умерена или высока. Если наследуемость его низка, то следует искать возможность Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 200/235 использования неаддитивной генетической изменчивости, то есть проявления гетерозиса. Таким образом, противоречивость результатов исследований о связи между антигенами групп крови и структурными белками с одной стороны, и показателями продуктивности, воспроизводительной способностью, резистентностью и стрессоустойчивостью, с другой стороны, а также о ее эффективности есть следствие объективно существующих различий генетических факторов. Поэтому выводы о сопряженности, маркерном эффекте между полиморфными системами и селекционируемыми признаками у животных, полученные на материалах каждого конкретного стада, не могут быть экстрополированы на другие популяции. Их можно использовать в селекционной работе лишь с животными данного стада. Вместе с тем, исследования групп крови и полиморфных систем, проводившиеся на домашних животных, уже привели к практическим результатам. У животных с помощью исследований групп крови и типов белков можно разрешить сомнительные случаи отцовства, диагносцировать монозиготность, и на ранней стадии установить фримартинизм телок. На основе изучения эритроцитарных антигенов групп крови и электрофоретических типов белков стало возможным изучать структуру популяций и на основе изменения частот генов устанавливать межпородные и внутрипородные различия. Поэтому изучение групп крови и биохимического полиморфизма может оказать большую услугу при ведении селекционной работы со стадом, линиями в пределах различных пород сельскохозяйственных животных и всё более необходимым из-за ограниченности племенного материала, вызванного широким применением искусственного осеменения и биотехнологических методов. Кроме этого чисто практического применения, исследование полиморфизма антигенных свойств крови и структурных белков и ферментов дало генетикам ценное Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 201/235 средство, с помощью которого можно решать многие проблемы с позиций современной селекции. Занятие № 8 ТЕМА: Генетика популяций Содержание и методика занятия. Разработка и реализация селекционных программ по животноводству невозможны без применения популяционной генетической генетики, структуры в основу которой совокупности особей входит с установление помощью методов математической статистики. Эволюционный процесс происходит не на уровне отдельной особи, а на множестве особей конкретного вида животных или растений. В широком смысле совокупность множества особей биологического вида, обитающих в определенном ареале, составляет сообщество, называемое популяцией. В генетическом аспекте популяция – это пространственно-временная группа скрещивающихся между собой особей одного вида. В животноводстве под популяцией понимают совокупность особей, отличающихся по своей генной структуре от других совокупностей особей данного вида, породы, линии или отдельной внутрипородной группы, населяющих определенную географическую зону, территорию область, район, (например, определенную конкретное животноводческое хозяйство) и размножающихся при свободном спаривании (панмиксии). Различают естественные и искусственные популяции. Первые из них формируются под действием естественного отбора (например, дикие формы норок включают 11 подвидов), вторые образуются в результате искусственного отбора, проводимого человеком (сорта растений, породы и линии животных). Формирование популяционной генетики как самостоятельного раздела генетических исследований произошло с появлением работ датского Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 202/235 ученого В. Иоганнсена, который в 1903 г. опубликовал работу «О наследовании в популяциях и чистых линиях». Для изучения наследования массы и размера у зерен фасоли он использовал математический подход в анализе полученных данных, а также генетический метод сравнения признаков у родительской формы и у потомства нескольких поколений. Исходный посевной материал и выращенные из него растения В. Иоганнсен назвал популяцией. При этом он проводил учет признаков в ряде поколений раздельно по каждому растению, полученному от смеси бобов, и потомство от отдельно взятого семени. Фасоль является самоопылителем, поэтому все растения, полученные в ряде поколений от одного боба, имеют сходную наследственность. Потомство, полученное от одного исходного боба, было названо чистой линией. Дальнейшее размножение в пределах каждой линии выявило индивидуальную изменчивость массы бобов (от 200 до 700 мг). Полученные результаты дали возможность предположить, что наследственность растений из разных чистых линий различна, а изменчивость массы у отдельных бобов в пределах линии обусловлена влиянием среды и ненаследственна. Изучая изменчивость количественных признаков у самоопылителей, В. Иоганнсен впервые установил наличие двух типов изменчивости: генетической и ненаследственной. Он пришел к выводу, что следует различать фенотипическую и генетическую изменчивость, и ввел термины «фенотип» и «генотип». Было установлено, что в пределах каждой чистой линии отбор не изменил массу бобов и он оставался на одном уровне в ряде поколений, то есть отбор был неэффективен, так как наследственность у организмов данной чистой линии была сходна, а имеющиеся различия по массе и размеру обусловлены факторами среды и не наследуются в поколениях. В смешанной Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 203/235 популяции бобов с разной наследственностью, действие отбора изменяло среднюю массу боба, то есть наблюдался эффект отбора. Чистые линии могут быть созданы в растениеводстве у самоопыляющихся растений. Вследствие полной гомозиготности отбор в чистой линии невозможен, так как все особи, входящие в нее, имеют идентичный набор генов. В животноводстве чистые линии не существуют. Путем родственного спаривания могут быть созданы высокозиготные линейные мыши, крысы и другие лабораторные животные для проведения различных экспериментов, например, для проверки на мутагенность тех или иных препаратов, оценки вакцин и т.д. Классификация популяций, их свойства и методы изучения В естественных и искусственных условиях разведения животных встречаются разные типы популяций: Генетическая или панмиктическая популяция, которой характерны свободное спаривание особей, отсутствие избирательности при подборе животных и отсутствие избирательности слияния гамет при оплодотворении. Гетерогенная популяция – искусственно созданное стадо на базе разных пород или линий одного вида животных. «Замкнутая» популяция – группа особей, спаривающихся только друг с другом (разведение «в себе»). Генофонд подобной популяции определяется относительной чистотой аллелей каждого локуса популяции и называется аллелотипом. Исходная популяция – исходный селекционный материал, с которым ведется целенаправленная племенная работа. Контрольная популяция – специальное стадо, предназначенное для квалифицированной оценки селекционного прогресса. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 204/235 Идеальная популяция – реально не существующая популяция. Используется как математическая модель для решения вопросов популяционной генетики и теоретической селекции. Каждая популяция характеризуется определенными соотношениями генных частот и частот гомозиготных и гетерозиготных генотипов. Она в генетическом плане разнородна, но входящие в нее особи более схожи друг с другом, чем особи из других, близких им совокупностей. Генетическая популяция является основным генетическим объектом для характеристики совокупностей организмов. Свойства генетической популяции формируются под воздействием факторов среды, а также наследственности, изменчивости и отбора. В итоге взаимодействия перечисленных факторов в популяции происходят изменения, которые характеризуют процесс ее развития. В практике разведения животных изменение популяции характеризуется процессом микроэволюции, при этом популяцией можно считать массив животных конкретной породы, разводимой в определенной географической или экологической зоне, или массив стада, которое в современных условиях производства может включать несколько тысяч животных. Зачастую породы расчленяются на несколько популяций, распространенных в разных зонах (например, отродье, зональный тип). Имея ряд общих породных особенностей, каждая из этих популяций отличается не только внешними признаками и спецификой приспособления к условиям своей зоны, но отличия затрагивают и генетические параметры (состав и частоту аллелей и генотипов).В каждой из популяций идет процесс микроэволюции, обусловленной кормлением, содержанием, отбором и климатическими условиями. Генетическая популяция обладает некоторыми общими свойствами, определяемыми ее генофондом, общей генетической структурой и условиями Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 205/235 обитания. Поскольку условия обитания могут изменяться, популяция должна располагать генетическим резервом изменчивости, благодаря чему она проявляет наследственную пластичность, позволяющую формировать новые свойства, которые в процессе естественного или искусственного отбора будут закреплены или устранены. Генофондом называют совокупность всех генов, которые имеют члены популяции. Генетическая структура определяется концентрацией каждого гена (или его аллелей) в популяции, характером генотипов и частотой их распространения. Гаплоидный набор хромосом содержит один полный набор генов, или один геном. В норме два таких набора генов служат главной предпосылкой развития диплоидной фазы. Генетическую структуру популяции принято выражать частотой аллелей каждого локуса и частотой гомозиготных и гетерозиготных генотипов. Соотношение частот аллелей и генотипов в популяции проявляет определенную закономерность в каждый конкретный отрезок времени и по поколениям организмов. Важным свойством популяций служит их способность проявлять высокую генетическую изменчивость, основной источник которой заложен в процессе размножения (например, при скрещивании разнополых организмов). Источником усиления наследственной изменчивости служит мутационный процесс, в течение которого появление новых аллелей способствует формированию в популяции новых генотипов, а, следовательно, и фенотипов. На генетическую изменчивость популяции оказывает влияние так называемая коадаптация генов. Эффект коадаптации генов в разных поколениях особей популяции может быть различным по причине смены условий среды в разных поколениях. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 206/235 Под действием отбора у особей популяции формируется такое важное свойство, как приспособленность к условиям среды. Уровень приспособленности служит мерой прогресса популяции и выражается интенсивностью размножения особей и увеличением численности популяции. Генетическая структура каждой панмиктической популяции сохраняется в ряде поколений до некоторых пор, пока какой-либо фактор не выведет ее из равновесного состояния. Сохранение исходной генетической структуры, то есть частоты аллелей и генотипов в ряде поколений, называется генетическим равновесием и типично для панмиктических популяций. Популяция может иметь равновесие по одним локусам и неравновесное состояние по другим. При переходе популяции в неравновесное состояние изменяются уровни частот аллелей и генотипов, складывается новое соотношение между гомозиготными и гетерозиготными генотипами в сообществе. Таким образом, генетическая популяция является сложной биологической системой, которая обладает противоположными свойствами: динамичностью и постоянством. Генетическая популяция непрерывно подвергается влиянию факторов, способных вывести ее из генетического равновесия: разные типы скрещивания и размножения; отбор (искусственный и естественный); мутационный процесс; меняющиеся факторы среды; миграция особей; дрейф генов. Для изучения генетической структуры популяций, динамики величины ее параметров при смене поколений и при воздействии различных факторов используют следующие основные методы: 1. метод генетического анализа, при котором изучают фенотипические качества родителей и потомства, при этом выясняют характер наследования отдельных признаков в группах потомков; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» 2. Лист 207/235 метод цитогенетического анализа кариотипа у особей популяции, при котором выявляют хромосомные аномалии, влияющие на прогресс популяции. Особенно он важен при оценке производителей для предотвращения распространения хромосомных дефектов; 3. математический метод, в том числе биометрический, позволяющий выразить состояние и динамику генетической структуры, определить степень влияния генетических факторов на фенотипическое проявление признака. Математический анализ генетической структуры позволяет осуществить моделирование генетических процессов, происходящих в популяции в ряде поколений и определить их перспективу; 4. эколого-физиологический метод, при котором устанавливают влияние факторов среды на состояние популяции и степень реализации генетического потенциала в фенотипическом проявлении признаков, что может быть установлено по физиологическим, интерьерным и экстерьерным признакам. Метод может выявить приспособленность фенотипов к условиям обитания, что особенно важно при современной технологии ведения животноводства. Закон Харди-Вайнберга В 1908 г. независимо друг от друга английский математик Г. Харди и немецкий врач В. Вайнберг опубликовали математический анализ частот аллелей и генотипов по группам крови системы АВО у людей и впервые сформулировали панмиктических закон распределения популяциях, который генетических стал основным параметров при в оценке генетической структуры популяций. Сущность данного закона заключается в том, что в больших популяциях, в которых спаривание происходит случайно и где частота одного из двух аллелей равна p (например, аллеля А), частота другого аллеля равна q (аллеля Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 208/235 а) и сумма частот p+q равна единице, потомство трех генотипов будет находиться в состоянии генетического равновесия, выражающегося формулой: p2AA+2pqAa+q2aa. Другими словами закон Харди-Вайнберга можно выразить следующим образом: популяция находится в состоянии генного равновесия, если доля гомозиготных доминантов, помноженная на долю гомозиготных рецессивов, равна квадрату половины доли гетерозигот, то есть: 2 pq p q 2 2 2 2 Для иллюстрации использования закона Харди-Вайнберга в анализе генных частот предположим, что в стаде мясных кур с розовидным гребнем отбор по форме гребня не проводится, и девять из каждых ста родившихся цыплят имеют листовидный гребень. В результате определения частоты генов листовидного гребня в этом стаде кур, а также частоты гетерозиготных особей следует, что частота, или доля особей в потомстве с листовидным гребнем равна 0,09, а частота гена листовидного гребня – корню квадратному из 0,09, то есть 0,30. Частота гена розовидного гребня равна 1-0,30=0,70, а доля гетерозиготных особей составляет 2 х (0,70 х 0,30)=0,42. Таким образом, 42 цыпленка из каждых 100 в стаде – носители гена листовидной формы гребня, а данная популяция (стадо) кур находится в состоянии генетического равновесия, так как (p+q)2=p2+2pq+q2=0,72+2 (0,7+0,3)+0,32=1. Для оперативного расчета концентрации гомозиготных и гетерозиготных генотипов (например, АА, Аа и аа) в популяциях при изменении концентрации доминантных и рецессивных аллелей (А и а) можно пользоваться данными, приведенными в таблице 10.1. Закон Харди-Вайнберга может проявляться в чистом виде, если популяция достаточно многочисленна, если в ней происходит свободное спаривание Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 209/235 особей любого генотипа, не происходит удаления генов и введения новых, отсутствует влияние отбора, не наблюдается мутаций, миграций и случайного дрейфа генов. Достичь этого в хозяйственных условиях практически невозможно, поэтому весьма трудно соблюдать все требования данного закона, но тем не менее он имеет немаловажное значение в практической селекции. Закон Харди-Вайнберга позволяет определить количество и соотношение некоторых генов в конкретном стаде. Прогнозировать направление изменения свойств популяции при изменении соотношения генотипов в результате целенаправленного отбора или скрещивания. Выявление генетической структуры приобретает в селекционной практике существенное значение, особенно если в популяции происходит систематическое появление особей с аномалиями, имеющими наследственную обусловленность. При этом важно определить частоту данной патологии, динамику ее распространения по поколениям или уменьшение ее частоты при проведении отбора, направленного на устранение аномального признака. Это особенно важно при работе с племенными стадами животных, влияние которых распространяется на породу в целом и на практические результаты работы с отраслью. Проще всего определить генетическую структуру популяции, если в ней встречаются особи с фенотипически легко выявляющимися рецессивными гомозиготными генотипами, например аа. В животноводстве к таковым относят особей с врожденной слепотой, альбинизмом, аномалиями скелета и другими нежелательными признаками, но возможны и рецессивные гомозиготные признаки, которые соответствуют целям селекции. Примером этого служат многообразные вариации окраски меха у пушных зверей и кроликов, оперения у птиц, масти лошадей и крупного рогатого скота, укороченность ног у такс, мопсовидность строения челюстного аппарата у Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 210/235 японских болонок. Следовательно, в зависимости от селекционной цели к рецессивным генотипам в популяции следует применить метод селекции для их устранения либо консолидации в породе. Для определения генетической структуры популяции можно применить также анализирующее скрещивание. Для этого животное с неизвестным, но предполагаемым генотипом (АА или Аа) спаривают с животным, имеющим рецессивный генотип (аа), фенотипически проявляющийся при визуальном обследовании. В этом случае возможны два варианта генотипов потомства. Если испытуемое животное имеет гетерозиготный генотип Аа, то скрещивание Аа х аа дает в потомстве появление фенотипов Аа и аа, то есть расщепление 1:1 (50% Аа и 50% аа). Если же испытуемое животное гомозиготно по доминантному аллелю (генотип АА), то при скрещивании АА х аа в F1 расщепление не наблюдается и генотип потомков Аа фенотипически будет соответствовать АА. Из закона Харди-Вайнберга следует, что редкие аллели, особенно рецессивные, присутствуют в популяции чаще всего в гетерозиготном состоянии (Аа). Основным методом для выявления нарушения генного равновесия в популяции служит сравнение фактически существующей генетической структуры популяции, которую выявляют по числу животных с данным фенотипом, с теоретической структурой, определяемой на основании частот p и q по формуле Харди-Вайнберга. Этот метод удобен, если сопоставляемые признаки наследуются кодоминантно, при этом в фенотипе проявляются оба аллеля локуса. В этом случае частоты каждого фенотипа легко выявить визуально. Так, например, при определении фенотипов (они же и генотипы) гемоглобина (Hb) у крупного рогатого скота путем электрофореза гемолизированной крови на бумаге можно выявить типы гемоглобина по окрашенным пятнам, располагающимся в виде полос на фореграмме. Молекулы каждого типа отличаются между собой, а синтез их обусловлен Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 211/235 действием двух разных генов: HbA и HbB. Эти аллели локуса гемоглобина образуют три генотипа: HbAA, HbBB и HbAB. Все три типа гемоглобина выявляются в виде полос на разном расстоянии от места нанесения образца крови на полоску бумаги. Зная число каждого из генотипов, можно определить частоту аллелей HbA и HbВ, частоту генотипов АА, АВ и ВВ и определить генетическую структуру данной популяции. Однако следует помнить, что популяция находится в генном равновесии только тогда, когда в ней не происходит отбора. При выбраковке же отдельных животных в такой популяции изменяется соотношение гамет, что влияет на генетическую структуру следующего поколения. К. Пирсон доказал, что как только возникает состояние панмиксии (свободное скрещивание), соотношение генотипов и фенотипов в популяции в следующем же поколении возвращается к тому, которое соответствует формуле Харди-Вайнберга, но уже при другом их соотношении. Скрещивание, восстанавливающее соотношение генотипов в популяции в соответствии с формулой Харди-Вайнберга, называется стабилизирующим. Поэтому при использовании в популяции случайных, неотобранных производителей или маток наблюдается стабилизация признаков продуктивности на одном уровне и повышение продуктивности животных в такой ситуации отсутствует. При отсутствии браковки гетерозиготных носителей рецессивных аномалий частота появления аномальных животных в популяции также остается неизменной. Факторы, влияющие на генетическую структуру популяции Популяция способна сохранять структуру в ряде поколений или на протяжении разных временных отрезков, что сопровождается формированием ее генетического гомеостаза, то есть постоянства. В то же время, любая популяция может менять свою генетическую структуру под Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 212/235 воздействием внешних и внутренних факторов, следовательно, популяция обладает генетической пластичностью. Именно эти два процесса обеспечивают популяции генетическую динамику, на фоне которой формируется приспособленность особей к меняющимся условиям среды, внутренних и внешних факторов. Факторы, способные изменять генетическую структуру популяции, многообразны, и каждый оказывает специфическое влияние на частоту аллелей и генотипов. На генетическую структуру популяции влияют следующие основные факторы. 1. Генные и хромосомные мутации. Генетическая структура популяции изменяется под влиянием мутаций, совершающихся на уровне аллелей в результате нарушения копирования пар азотистых оснований в молекуле ДНК (точковые или генные мутации), или на уровне хромосом в результате хромосомных перестроек (аббераций) или изменения числа хромосом (хромосомные мутации). Мутации способствуют увеличению числа гетерозиготных особей, которые могут лучше или хуже приспосабливаться к условиям обитания. Точковые мутации приводят к изменению доминантной формы аллеля в рецессивную (прямые мутации) или рецессивной в доминантную (обратные мутации). В естественных популяциях точковая мутация возникает с частотой 10-5. Такие мутации не оказывают большого влияния на частоту генов в популяции, однако селекционер должен учитывать то, что в популяции имеются рецессивные мутации, которые, находясь у гетерозиготных особей в скрытом состоянии, создают потенциальную генетическую Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 213/235 изменчивость популяции и при благоприятных условиях могут перейти в гомозиготное состояние. Судьба мутантного гена в популяции зависит: от его состояния (доминантности или рецессивности); от характера его действия (летального, полулетального, нейтрального); от характера изменений, вызываемых мутантным аллелем (морфологическим, биохимическим); от взаимодействия с другими генами. В больших популяциях мутантный рецессивный ген дольше сохраняется в гетерозиготном состоянии, а в малых популяциях он быстрее переходит в гомозиготное состояние и подвергается воздействию отбора, который либо устраняет гомозиготный генотип аа, либо содействует его сохранению. Темп мутации варьирует у разных генов и особей. В каждом поколении происходит появление множества различных новых генетических аллелей. Мутационный процесс, затрагивающий перестройки хромосом, еще больше увеличивает генетическую изменчивость в популяции. Частота генных и хромосомных мутаций зависит от влияния отбора, силы его давления и направления. В популяциях, подвергающихся искусственному отбору, мутационный процесс может усиливаться и закрепляться целенаправленным отбором и подбором родительских пар. В результате появляются новые морфологические особенности у животных данного вида, которые человек закрепляет селекцией, формируя новые породы и типы животных. Такой процесс использования мутационной изменчивости в селекционных целях распространен в пушном звероводстве, кролиководстве, птицеводстве, аквариумном рыбоводстве, декоративном собаководстве. Мутационный процесс ведет также к образованию в популяциях генетического полиморфизма, т.е. разнообразия частот аллелей: гомозиготных по доминантным, гетерозиготных или гомозиготных по Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 214/235 рецессивным генам. Полиморфизм является механизмом, поддерживающим существование популяций. Если, например, гетерозиготность обеспечивает лучшую приспособляемость к новым (изменившимся) условиям среды, то идет отбор в пользу гетерозигот, что приводит к сбалансированному полиморфизму. Таким образом происходит воспроизведение в популяции из поколения в поколение определенного соотношения различных генотипов и фенотипов. Процессы, обеспечивающие способность популяции сохранять свою генетическую структуру, называют генетическим гомеостазом. Рекомбинация аллелей, протекающая при образовании дочерних клеток в процессе мейоза, усиливает генетическую изменчивость и служит важнейшим источником образования новых генотипов в популяции. Генотипическая изменчивость, возникающая в результате рекомбинации генов, может быть выражена следующим образом: х=2n, где х – число возможных рекомбинаций; n – число хромосом в гаплоидном наборе. Е.К. Меркурьева (1977) отмечает, что число генотипов в популяции обусловлено также числом локусов и числом аллелей в локусе, а именно: r r 1 p , 2 n где p – число возможных генотипов; r – число локусов; n – число аллелей в каждом локусе. 2. Миграция особей. В процессе миграции происходит поступление генов в конкретную популяцию за счет особей из других популяций, что в конечном итоге способствует созданию потока генов. В популяциях сельскохозяйственной птицы он обеспечивается за счет завоза новых животных из стад других птицеводческих хозяйств нашей страны или из-за рубежа. Следовательно, вывоз и выбраковка особей уменьшают поток генов, изменяют частоту аллелей в популяции. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 215/235 В качестве примера изменения частоты генов под влиянием ввода в популяцию (или вывода из нее) особей из другой популяции предположим, что в стаде коров голштинской породы, насчитывающем 5000 особей, структура генотипов и частота аллелей следующая: особей с генотипом АА 2000 голов, с генотипом Аа - 2500, с генотипом аа - 500 голов; частота аллеля А равна 0,65 ( рА 2 АА1Aa 2*20002500 0,65 ), частота аллеля а - 0,35 (ра = 2*5000 10000 1 - рА = 1 - 0,65 = 0,35). В основное стадо ввели 3000 коров, из которых генотип АА был у 1250 голов, генотип Аа - у 500, генотип аа - у 1250 голов. Следовательно, частота аллеля А введенных коров равна 0,50 (способ расчета частоты аллеля показан выше), частота аллеля а - 0,50. Таким образом, в смешанной популяции произошли изменения по генотипам и частотам аллелей А и а. Соотношение генотипов в смешанной популяции - 3250 АА + 3000 Аа + 1750 аа. Частота аллеля А составила 0,59 вместо 0,65 в основном стаде коров, частота аллеля а - 0,41 вместо прежних 0,35. Влияние миграции особей на генную частоту популяции можно определить, используя q1 mqm (1 m)q m(qm q0 ) q0 формулу: где q1- частота аллеля а в смешанной популяции; qm - частота того же аллеля в группе особей, вводимых в исходную (основную) популяцию; q0 - частота аллеля а в исходной популяции; m - доля вновь вводимых особей по отношению к их общему поголовью вместе с особями исходной популяции. 3. Способ размножения. Известно, что свободное спаривание самцов и самок приводит популяцию в состояние генетического равновесия по частоте генов и генотипов. В последующих поколениях в популяции сохранятся те же концентрации аллелей и то же соотношение генотипов, что и у родителей. Разумеется, что это возможно лишь при отсутствии отбора, мутации или миграции особей. В свободно спаривающейся популяции Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» коэффициент инбридинга равен нулю, однако Лист 216/235 при работе с сельскохозяйственными животными зачастую используют родственное спаривание особей внутри популяции. Инбридинг приводит к постепенному увеличению гомозиготности, следовательно, в популяции наблюдается изменение частоты аллелей одного и того же локуса. Инбридинг разных степеней приводит к выявлению рецессивных генов, которые всегда имеются в популяции и никогда полностью не удаляются из нее. Этот генофонд может быть использован при изменении условий среды и программы отбора. В условиях инбридинга соотношение генотипов в стаде будет зависеть от величины коэффициента инбридинга. С. Райт предложил для расчета частоты генотипов использовать следующую формулу: ( p Fpq ) : (2 pq F 2 pq) : (q 2 Fpq ) , АА Аа аа где F- коэффициент инбридинга. Из приведенной формулы следует, что частота гетерозигот 2рq в результате инбридинга уменьшается на величину F2pq, а частота каждого гомозиготного генотипа увеличивается на величину р. Таким образом, инбридинг приводит к дивергенции популяции по аллелям, то есть частота одного аллеля локуса снижается, а частота другого увеличивается. Любые типы скрещивания, также как и гетерогенный подбор родительских пар внутри породы, способствуют образованию гетерозиготных генотипов и включению в популяцию новых аллелей и генотипов. При этом происходит изменение частот аллелей, меняется структура генотипов и их соотношение, нарушается генное равновесие, повышается комбинативная изменчивость, особенно при скрещивании контрастных между собой пород и (гибридизации). Возникают новые при межвидовом скрещивании свойства сохраняются человеком в процессе селекции. и признаки, которые Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 217/235 Скрещивание приводит к повышению гетерозиготности, при которой проявляется гетерозис в первом поколении помесей или гибридов. Помеси и гибриды обладают гетерозиготным состоянием генотипов по большинству локусов. Гетерозиготность помесей и гибридов первого поколения способствует повышению продуктивности и жизнеспособности. При их разведении сила гетерозиготного эффекта в поколениях снижается, так как в популяции может уменьшаться доля гетерозигот и увеличиваться численность гомозиготных организмов. 4. Случайный генетический тренд (дрейф). Случайный, или выборочный, характер наследования, являющийся причиной генетического дрейфа, оказывает определенное влияние на изменение генных частот и может привести к такой генетической изменчивости, которая не обусловлена давлением со стороны мутаций, отбора и миграции особей. Изменение равновесия генных частот в ограниченных популяциях (а именно такими являются популяции в племенном птицеводстве) вызывается случайными или так называемыми генетико-автоматическими процессами, протекающими на фоне ограниченного выбора родительских гамет, участвующих в процессе оплодотворения при получении следующей генерации. Значение генетического дрейфа в изменении генных частот в популяции определяется ее численностью. Чем меньше популяция, тем большая вероятность случайных изменений концентрации отдельных генов, тем быстрее наступает гомозиготное состояние в локусе у всех особей популяции. В небольших популяциях случайное расщепление генов в гаметах и рекомбинаций их в зиготах может быть единственной причиной генетического дрейфа, а в некоторых случаях и более важным фактором, чем выборка малой величины. Генетический дрейф может оказать большое влияние на структуру популяции при использовании родственного спаривания в течение Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 218/235 нескольких поколений и, особенно инбридинга типа «родитель х потомок» или типа «брат х сестра». Иллюстрацией генетического дрейфа при использовании инбридинга в животноводстве могут быть данные о группах крови у птицы. Так, до применения инбридинга в В-локусе групп крови в популяции насчитывалось восемь различных аллелей. После того, как коэффициент инбридинга достиг 66 % и более, число аллелей в В-локусе уменьшилось до двух. На утрату некоторых В-аллелей крови могли влиять и другие факторы (например, отбор), но, несомненно, также участие генетического дрейфа, обусловленного родственным спариванием в небольшой популяции (Д. Лэсли, 1982). Роль генетического дрейфа может проявиться при возникновении мутаций. Это связано с тем, что мутантный ген, не будучи подвержен влиянию отбора, подчиняется генетико-автоматическому процессу. Причем одни мутации будут устранены под действием случайных процессов, а другие могут также случайно сохраниться и достичь высокой частоты. Хотя изменения частоты генов, вызываемые генетическим дрейфом, и невелики, тем не менее, следует помнить, что такие изменения накапливаются из поколения в поколение и могут заметно изменить стадо в лучшую или худшую сторону (особенно, если они не совпадают с целенаправленным отбором). 5. Естественный и искусственный отбор. Отбор - наиболее важный фактор, влияющий на изменение генных частот в популяции. По отношению к сельскохозяйственным животным отбор означает, что особи, обладающие некоторыми желательными признаками, отбираются в стаде для воспроизводства новой генерации. Таким образом, в любой конкретной популяции отбор приводит к повышению концентрации одних генов и понижению концентрации других. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» В современном понятии отбор - это Лист 219/235 сохранение более приспособленных к определенным жизненным условиям и технологии производства особей или выбор человеком соответствующих его требованиям и устранение менее приспособленных, худших экземпляров. Давление отбора на конкретный аллель локуса количественно выражается коэффициентом отбора (S). Этим коэффициентом измеряется преимущественное воспроизведение селекционируемого признака в следующем поколении. Изменение структуры популяции под действием отбора зависит от типа наследования (доминирование, неполное доминирование, рецессивность, сверхдоминирование), пенетрантности гена, типа отбора (естественный, разные типы искусственного). Допустим, что отбор направлен против нежелательного рецессивного аллеля, то его частота в первых поколениях уменьшается быстро, а затем в последующих поколениях медленнее и может дойти до нуля. Таким образом, вследствие уменьшения частоты рецессивного аллеля быстро уменьшается доля гетерозигот, тем самым снижается возможность встречи рецессивных аллелей и устраняется возможность выщепления гомозиготных рецессивных генотипов. Когда же отбор направлен против нежелательных доминантных аллелей, то его действие на популяцию будет эффективнее, и конечный результат выявится быстрее, чем при отборе против рецессивных аллелей. Частота доминантного аллеля изменяется за одно поколение на величину, равную (1-S)∙(1-q), где S - коэффициент отбора, q- концентрация рецессивного гена. Изменение частоты рецессивного аллеля за одно поколение можно определить, применив формулу: (1 S ) (1 q ) 1 S (1 q ) . Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 220/235 С увеличением частоты доминантного гена снижается эффективность селекции, так как отбор на доминантный ген наиболее эффективен в том случае, если частота аллеля относительно невелика. В случае наследования нежелательного гена по типу неполного доминирования отбор, направленный против него, действует до полного исчезновения из популяции аллеля, который определяет меньшую выживаемость и пониженную воспроизводительную способность особей. При наследовании нежелательного гена по типу сверхдоминирования отбор направлен против доминантных и рецессивных гомозиготных генотипов. В этом случае в популяции остаются оба аллеля (например, А и а), частота которых принимает значение от 0 до 1, и присутствуют все три генотипа (АА, Аа и аа). Поэтому, несмотря на систематическое (непрерывное) действие отбора, в популяции устанавливается генетическое равновесие, наступает так называемый сбалансированный полиморфизм, обеспечивающий сохранение генотипов АА, Аа и аа. Это объясняется тем, что понижение концентрации q компенсируется падением концентрации p, а соотношение частот p и q, обратно пропорционально коэффициентам отбора (S). Когда же отбор направлен против гетерозигот Аа, то в популяции образуется неустойчивое генетическое равновесие аллелей. На эффективность отбора в определенной степени влияет пенетрантность гена, то есть частота или вероятность фенотипического проявления его в популяции особей, являющихся носителями данного гена. Пенетрантность зависит от генотипа и условий среды. Это означает, что при определенном геноме или в определенных условиях среды некоторые гены фенотипически проявляются как доминантные, а в других условиях среды или при других геномах не проявляются вообще. Пенетрантность оценивается процентом особей, несущих данный ген, у которых он проявился в фенотипе. Различают полную (ген проявился у 100 % особей) и неполную Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 221/235 пенетрантность. Неполная пенетрантность свойственна проявлению многих генов у сельскохозяйственных животных, например, угнетающих эмбриональное развитие и жизнеспособность. Путем селекции можно получить линии или отдельных особей с желательным уровнем пенетрантности. Нежелательные гены могут быть подавлены или изменены генами-супрессорами, которые способствуют сохранению в популяции особей, приспособленных к конкретным условиям среды, и тем самым формируют определенный гомеостаз популяции, который проявляется в благоприятных фенотипах. На генетическую структуру популяции наибольшее влияние оказывает тип отбора. Отбор может быть естественным и искусственным. Влияние естественного отбора на популяцию определяется не одним геном, а их совокупностью, проявляя комплекс всех наследственных задатков в виде фенотипического состояния признаков. Естественный отбор способствует выживанию и сохранению тех особей, которые, благодаря индивидуальным особенностям, лучше приспосабливаются к условиям внешней среды, ограждает популяцию от действия вредных мутаций и сохраняет ее структуру. В популяциях сельскохозяйственных животных естественный отбор дополняется действием искусственного отбора, который дает возможность оказывать давление на частоту генов и получать эффективные сдвиги генных частот уже в потомстве ближайших поколений. Например, дикие банкивские куры, родоначальники современных кур, откладывают за жизнь 30 яиц, живая масса взрослых петухов 0,8-1,2 кг, кур - 0,5-0,7 кг. Яйценоскость их потомков за один продуктивный период (78 нед. жизни) достигает 300 яиц и более, а масса цыплят-бройлеров в 6-недельном возрасте – 2,0-2,5 кг. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 222/235 В практической работе с животными используют следующие типы искусственного отбора: стабилизирующий, направленный, дивергентный, технологический, косвенный. При стабилизирующем отборе происходит консолидация селекционного признака; в результате среднее значение признака в популяции не меняется, особей с крайними вариантами признака выбраковывают, наступает стабилизация генетической изменчивости, и частоты генов приобретают генетическое равновесие. В практической селекции при данном типе отбора для дальнейшей работы оставляют особей с модальным (средним) классом, то есть животных, уровень селекционируемого признака у которых находится в пределах от -Iσ до +1σ. Нормальное распределение особей совокупности по классам вариационного ряда, его функции и их использование. Направленный или методический отбор находит широкое применение в животноводстве, так как он обеспечивает изменение среднего значения селекционируемого признака у потомков в желательном для селекционера направлении при одновременном сужении генетической и фенотипической изменчивости. Такой отбор приводит за несколько поколений к значительному сдвигу средней величины признака в сторону (максимальную или минимальную), соответствующую целям селекции. Направленный отбор способствует совершенствованию существующих и выведению новых высокопродуктивных пород, линий и кроссов животных. В случае необходимости получения животных с противоположным уровнем продуктивности (например, высокой и низкой живой массы) или изучения наследственности и генетической корреляции количественных признаков применяют так называемый дивергентный отбор, то есть отбор в двух направлениях. При этом популяция расчленяется на популяционные группы, различающиеся между собой по генотипам и фенотипам. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 223/235 В условиях перевода животноводства на промышленную основу особое значение приобретает технологический отбор, при котором отбирают особей, приспособленных к экстремальным условиям содержания и кормления. В этом направлении селекции имеются определенные успехи. Так, птица родительских форм кросса кур «СК Русь-2» отселекционирована на приспособленность к содержанию в клеточных батареях или на сетчатых полах, индейки линий С и Д кросса «Хидон» - на приспособленность к содержанию в клетках и т.д. При отборе сельскохозяйственных животных учитывают также и некоторые косвенные признаки, которые не имеют прямой хозяйственной ценности, но связаны с количественными хозяйственно-полезными признаками. Такой отбор называют косвенным. Например, установлена положительная связь между глубиной молочных колодцев и удоем у коров; между длиной киля и мясными качествами кур и индеек (выход потрошеной тушки, съедобных частей, мышц); между развитием гребня у кур в 7-8недельном возрасте и оплодотворенностью и выводимостью яиц и др. Таким образом, вышеприведенное действие комплекса факторов (отбор, мутационный процесс, дрейф генов, миграция, численность популяции, способы размножения) указывает на их влияние на: структуру популяции, соотношение частот аллелей и генотипов, равновесие генов, фенотипические характеристики особей популяции. С этими динамическими изменениями в генетической структуре популяции селекционеры встречаются систематически в своей работе. Задача их состоит в необходимости выявлять действие того или иного фактора на популяцию (стадо, породу). Особенно должно учитываться влияние длительного и тесного инбридинга, способствующего появлению нежелательных фенотипов, снижению жизнеспособности и воспроизводительной функции. Каждый селекционер должен помнить, что даже выбраковка из стада Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 224/235 животных-носителей вредных аллелей не полностью очищает стадо, так как гетерозиготные генотипы являются носителями рецессивных генов. Поэтому важно выявить носителей вредных аллелей, прослеживая появление этих аллелей от конкретных особей, проводя анализы родословных и родственных связей. Работа по освобождению стада от вредных аллелей должна осуществляться систематически, в ряде поколений. Генетический груз в популяциях животных Под генетическим грузом популяции подразумевают распространение в популяции скрытых рецессивных генов. Генетический груз оказывает двоякое влияние на популяцию. Во-первых, он служит скрытым источником генетической изменчивости, которая необходима популяции для возможности непрерывного приспособления к среде; вовторых, он может ухудшать приспособленность особей в результате действия вредных аллелей (в том числе и летальных) и снижения жизнеспособности и плодовитости особей. Ф.Г. Добжанский (1965) предложил считать генетическим грузом отклонения уровня признаков от адаптивного уровня в сторону уменьшения его уровня (-2σ). За адаптивную норму принимают приспособленность гетерозигот (Аа). Пo определению Н.П. Дубинина (1967) генетический гpyз - это не только летальные гены, переходящие в гомозиготное состояние, но и весь спектр мутаций, понижающих адаптивные свойства особей. Генетический груз может быть мутационным, сбалансированным и переходным. Мутационный груз возникает от мутирования доминантного аллеля в рецессивный, то есть А→а. Чем чаще происходит такой процесс, тем больше насыщается популяция аллелем а. Отбор противостоит насыщению популяции рецессивными аллелями, устраняя их через гомозиготные Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 225/235 генотипы аа, как менее приспособленные. Общий генетический груз создается суммарным действием генетических грузов отдельных локусов. Сбалансированный полиморфизма с гетерозиготном состоянии генетический преимущественным (АВ>АА груз обусловлен сохранением и ВВ) и влиянием генотипов при в проявлении сверхдоминирования (Аа>АА). Следовательно, при сбалансированности генетического груза в генотипах АВ или Аа гетерозиготные особи проявляют более высокую приспособленность к условиям среды, что повышает их жизнеспособность. Это подтверждает положительное действие полиморфного состояния локусов многих ферментных белков, расширяющих приспособленность организмов, так как гетерозигота обладает большей возможностью реакции на разнообразие условий среды. Переходный генетический груз обусловлен тем, что адаптивный аллель может утрачивать эти свойства в определенных условиях, а действие нового аллеля еще не достигло адаптивного уровня. Тогда генетический груз создается за счет присутствия исходного аллеля. Уровень генетического груза выражается в количестве летальных эквивалентов. Один летальный эквивалент соответствует одному летальному гену, обусловливающему смертность со 100%-ной вероятностью, или двум летальным генам при 50%-ной вероятности смерти и т.д. Величина генетического груза определяется по формуле Мортона: logeS=A+BF, где S — часть потомства, оставшаяся в живых; F — коэффициент инбридинга; А — смертность, измеряемая летальным эквивалентом в популяции при условии случайных спариваний (F=0), плюс смертность, обусловленная внешними факторами; В — ожидаемое увеличение смертности, когда популяция становится полностью гомозиготной (F=l). Расчеты генетического груза в популяциях молочного скота, коз и кур, проведенные в Японии, дали следующие результаты: у голштинофризского Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 226/235 скота — 1 летальный эквивалент на зиготу, у сааненских коз — 0,5; в разных линиях яичных кур – от 0,84 до 2,92 летального эквивалента. Очевидно, генетический груз может играть положительную роль при искусственном отборе, так как является источником генетической изменчивости, способствует накоплению генотипов, более приспособленных к новым факторам среды (например, к новой технологии производства) или соответствующих специфике селекционного процесса (сохранение желательных рецессивных генотипов). Таким образом, популяционная генетика позволяет определить генетическую долю изменчивости в общей изменчивости признаков; анализировать процессы, происходящие в популяциях при различных формах отбора, подбора и методах разведения; оценивать влияние генотипа и условий внешней среды на развитие признаков и продуктивных свойств животных; моделировать селекционный процесс и прогнозировать эффект селекции. Занятие № 9 ТЕМА: Генетические аномалии у сельскохозяйственных животных Содержание и методика занятия. Генетические аномалии – это нарушения в организме животных, возникающие в результате генных и хромосомных мутаций. Генные мутации нарушают морфогенез органов и тканей на разных этапах онтогенеза, а изменение числа хромосом или их структуры приводит обычно к прекращению развития эмбриона или рождение животных с различными аномалиями. Для болезней этой группы характерны простые менделирующие качественно-генетические признаки (прерывистая изменчивость). В современных условиях приобретает большую значимость проблема генетически обусловленных пороков развития уродств и заболеваний животных. Учение о наследственных заболеваниях и врожденных аномалиях, обусловленных внутренней и внешней средой, является составной частью Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 227/235 ветеринарной патогенетики. Генетика с эмбриологией решили многие проблемы развития организмов, из которых основополагающей является проблема строгого генетического контроля различных стадий онтогенеза. Изучение механизма генетического контроля онтогенеза представляет не только большой теоретический интерес для понимания нормального развития популяции, но и имеет огромное значение для решения таких важных проблем как селекция и разведение высокопродуктивных животных, резистентность их к инфекционным заболеваниям, диагностика, профилактика и лечение наследственных и врожденных пороков развития и генетически обусловленных болезней. Наука об уродствах – тератология – была основана лишь в начале XIXвека. В ту эпоху для тератологии характерно признание главным образом экзогенных причин развития аномалий. Дарвин рассматривал врожденные аномалии развития как выражение крайней изменчивости, а Лернер, развил эту мысль, считая их выражением возрастающей изменчивости с повышением гомозиготности. Повторное открытие законов Менделя явилось мощным толчком для развития генетического направления в тератологии. Кэно описал внутриутробную гибель мышей гомозиготных по доминантному гену – оранжево-желтой окраски, как первый случай доминантного летального фактора с рецессивным летальным действием. В результате накопления многочисленных данных были отмечены частные отклонения от менделевского расщепления, которые не удавалось объяснить генетическими причинами. Даресте удалось вызвать аномалии развития куриных эмбрионов путем встряхивания, Спеманн воспроизвел циклопию путем расщепления дробящегося яйца тритона на стадии двух бластомеров. Патогенетика сельскохозяйственных животных - наука о болезнях вызываемых определенными генами и включает в себя также науку об исключительно генетически детерминированных болезнях (наследственных Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 228/235 заболеваниях) и заболеваниях, в основе которых лежит наследственное предрасположение (наследственно- средовые заболевания). Патогенетика занимается не только закономерностями возникновения, течения и распространения генетически обусловленных болезней, но и борьбой с ними (генетическая профилактика). Термином «генетическая профилактика» обозначают отрасль ветеринарной науки, которая занимается предотвращением передачи из поколения в поколение генов, вызывающих патологию, и, следовательно, распространения таких генов в популяции. Неотъемлемой частью наследственной патологии является конституциональная патология – наука о болезнях, связанных с аномальной реакцией на факторы окружающей среды (экзогенные вредности). Так в условиях не большого фермерского хозяйства определенные наследственные аномалии сельскохозяйственных животных не имеют значительного экономического ущерба, тогда как в условиях крупно группового содержания при высоком технологическом уровне подобные аномалии могут нанести серьезный урон. Генетические аномалии представляет собой наследственно обусловленное, нежелательное с точки зрения здоровья популяции и племенного использования, отклонений от типичного(от нормы), в возникновении которого определенную роль сыграл генотип животного. (Мейер 1967) Породные аномалии, или аномалии, обусловленные методами разведения, представляют собой отклонения от существующего породного типа. Понятие «здоровье» и «болезнь» охватывают различные формы существования организмов в окружающих их среде, в основе которых лежит различная способность этих организмов адаптироваться к определенным условиям. Организм считается здоровым до тех пор, пока присущая ему Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 229/235 способность к адаптации обеспечивает нормальное его существование в изменяющихся условиях окружающей среды. И, напротив, организм находящийся в состоянии болезни, когда патологический процесс и его влияние достигают такой степени, что в патологию вовлекается весь организм или его части и типичная реактивная особенность последнего по отношению к окружающей среде оказывается серьезно нарушенной. Понятие «болезнь» означает, что закрепленной в животном организме сумме систем обратной связи не удается восстановить комплекс различного рода равновесий всех функций и реакций. При наследственной болезни речь идет о генетической обусловленном или находящемся под генетическим влиянием нарушением взаимоотношений организма с окружающей средой(атрезия ануса), к условиям которой он более не способен адаптироваться. При наследственной недостаточности отклонения от нормы столь незначительны, что адаптационная способность носителя по отношению к окружающей среды почти не нарушена (отсутствие иди недоразвитие наружного уха у крупного рогатого скота, полителия и др.) В результате развития порока организм оказывается измененным в очень сильной степени, что речь идет об уродствах. При болезнях, связанных с пороками развития, нарушается взаимоотношения организма со средой. Диагностируются эти нарушения уже в момент рождения, или появляются после. Занятие № 10 ТЕМА: Болезни с наследственной предрасположенностью Содержание и методика занятия. Эта группа болезней возникает в результате воздействии факторов внешней среды (экзогенные причины болезни, патологический процесс и включает реакции организма на эти воздействия). Индивидуально различную способность реагировать на Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 230/235 раздражения, исходящие из окружающей среды присуще каждой особи закрепленное в ее генотипе состояние организма, подверженное влиянию окружающей среды, и сложившаяся на основе этого у каждой отдельной особи устойчивость к повреждающим факторам. В зависимости от соотношения эндогенных (генетических) и экзогенных (средовых) факторов в этиологии болезней среди последних различают следующие три группы: Генетические (наследственные); эндогенно-экзогенные (наследственно-средовые); экзогенные (средовые). Генетические аномалии – это нарушения в организме животных, возникающие в результате генных и хромосомных мутаций. Генные мутации нарушают морфогенез органов и тканей на разных этапах онтогенеза, а изменение числа хромосом или их структуры приводит обычно к прекращению развития эмбриона или рождение животных с различными аномалиями. Для болезней этой группы характерны простые менделирующие качественно-генетические признаки (прерывистая изменчивость). Вторая группа болезней обусловлена взаимодействием наследственности с факторами среды. О категории врожденных аномалий можно говорить, что проявление их примерно в равной степени зависит от генотипа (эндогенных) и внешней среды (экзогенных). Следовательно, речь идет не типичных количественных признаках а о «пороговых», обладающих прерывистой изменчивостью, но полигенным наследованием. Типичным примером может служить резистентность к инфекциям, которая может быть разделена на два типа: - резистентные и потому выживающие; - восприимчивые и потому погибающие. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 231/235 Пороговый признак проявляется лишь при наличии определенного числа активных генов и при определенном их соотношении, т.е болезнь возникает в результате кумулирующего действия мутагенных генов. Чисто экзогенно обусловленные болезни появляются лишь под воздействием факторов, с которыми животное до сих пор не сталкивалось в своей природной среде, то есть которые не свойственны к его природному окружению (под влиянием голода, холода, солнечной радиации) возникают приспособительные реакции, которые характеризуются индивидуальной генетической изменчивостью и могут иметь соответствующее значение для селекции. Такие заболевания протекают на фоне модификационной (наследственной) изменчивости, но при этом реакции разных особей на изменение условий будет неодинаковой, что зависит от генотипа конкретного организма. У животных известен ряд уродств, вызываемых условиями среды, их называют фенокопиями, т. к фенотипически эта группа уродств или аномалий сходна с тем, что дают мутации, изменяющие наследственность, но не передаются потомству. В птицеводстве при нарушении режима инкубации яиц наблюдается уродства цыплят, подобные наследственным. Считают, что большинство болезней, дефектов, уродств животных обусловлено взаимодействием генетических и средовых факторов. В некоторых случаях фенотипически сходные аномалии имеют разную генетическую детерминацию (генокопии). С одной стороны, это указывает на генотипическую гетерогенность аномалий, с другой стороны, фенотип генетической аномалии может быть «скопирован» факторами внешней среды у особей с определенным генотипом. По классической классификации наследственные болезни относятся к группе эндогенных. Соответствующие генотипы реагируют на нормальную среду тем, что формируется плохо приспособленный фенотип. При Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 232/235 экзогенных болезнях первично действующим фактором служит изменение среды, к которым определенная часть индивидов не может приспособиться. Вместе с тем животные считавшееся пораженным наследственной болезнью при изменении условий среды оказываются приспособленными к ним (длиношерстность у крупного рогатого скота, курчавоперость у кур, белый цвет кожы). Сюда можно отнести различные одомашненные формы, которые сохранились благодаря противодействовавших применявшимся естественному методам отбору. селекции, Следовательно, наследственные болезни могут быть определены как таковые лишь при определенных условиях среды, т.к. наследственные задатки могут с изменением среды привести к развитию болезни. Обнаружение нарушений развития привело к тому, что характер и степень выраженности аномалии определяется не только интенсивностью воздействия, но и той фазой развития, в которой находится плод в момент воздействия тератогенного агента. Наибольшая опасность угрожает фазам, характеризующимся интенсивной дифференцировкой. Различают следующие фазы развития: а) прогенез, или предварительная фаза. Она начинается с образования и созревания гамет и кончается образованием зиготы. Это фаза имеет одну четкую границу – момент оплодотворения яйцеклетки, вторая граница может быть теоретически отнесена к эмбриональному периоду жизни производителя гамет; б) бластогенез, или предимплатационный период. Эта фаза имеет четкой границей момент оплодотворения яйцеклетки, тогда как момент перехода к эмбриогенезу однозначно не установлен; в) эмбриогенез, органогенез, или период образование главных органов; г) плодный (фетальный) период, или пренатальная фаза роста. Главной частью внутриутробного развития является эмбриональный и фетальный периоды. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 233/235 Значение бластогенеза в возникновении уродств сравнительно не велико. Бластопатия приводит чаще всего к смерти плода с последующей его резорбцией. Эмбриогенез, или период образования главных органов, напротив, играет весьма существенную роль. При воздействии непатогенного фактора в первой половине органогенеза можно ожидать образования которые связаны с нарушениями нервной закладки и проявляются в выраженных изменениях головы (анэнцефалия, акрания, мозговые грыжи, анофтальмия) и с эктопией сердца и внутренних органов. Аномалии могут возникать в результате действия на эмбрион или плод определенных повреждающих факторов внешней среды, называемых тератогенами. При воздействии тератогенного фактора во второй половине органогенеза страдает главным образом закладка хрящевого скелета. Для плода человека и животных точно установлен тот критический период времени, когда терагенный агент нарушает развитие органов. Возникают уродства конечностей и позвоночника. В плодный период, повреждения сказываются преимущественно функциональными нарушениями, которые приводят к отмиранию плода, спонтанному аборту, либо проявляются в постнатальный период в виде пониженной продуктивности, нарушении обмена веществ. Характерна для этой фазы чувствительность мозга, особенно мозжечка (атаксия). Постнатальные первичные уродства, связанные с задержкой развития, могут возникать там, где имеются незрелые клетки. Это относится к центральной нервной системе и зачаткам зубов. Наряду с экзогенными факторами имеют значения и генетические, например, летальные факторы. Летальные факторами называют менделирующие генетические факторы, обуславливающие гибель особи до достижения его половозрелого возраста (Хадорн, 1955). Если такие факторы вызывают гибель 50-99% особей, то их называют полулетальными Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 234/235 факторами. Гены, вызывающие гибель менее 50% особей носят название субвитальных. Особый интерес для исследователей представляют субвитальные факторы, поскольку они объясняют некоторые различия и конституции индивидов, линий и пород. Критерием летального фактора считают достижение половозрелого возраста, т.к для популяционногенетических условий важна возможность оставления потомства. Наследственная обусловленность выявленных болезней и аномалий определяется комплексом методов генетического, ветеринарного и зоотехнического характера. К группе характеристика генетических кариотипа иммуногенетические методов на методы, относится выявление цитогенетическая хромосомных позволяющие оценить аномалий, иммунную совместимость или ее отсутствие у родителей. Генетические методы включают также специальный подбор пар. На основе которого осуществляют анализирующее скрещивание и семейный анализ. Использование генетикостатистического анализа популяции дает возможность установить степень гомо - и гетерозиготности, определить частоту летального аллеля и сделать прогноз на вероятность его распространения и характер наследования. Ветеринарные методы используют показатель анатомо- патологического анализа для суждения о патологии и аномалиях у конкретной особи клинические, или в обследуемой группе животных. Используют биохимические анализы и показатели клеточного и гуморального иммунитета для характеристики животных при протекании у них разных форм выявленных заболеваний. Зоотехнический метод основывается на анализе родословной животного, проявляющего заболевание или уродство. Он заключается в следующем: в группе предков животного (братьев, сестер и боковых родственников) устанавливают, была у кого-нибудь из них аналогичная Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени К.И.Скрябина» Лист 235/235 патология или нет; выявляют связь обнаруженной патологии с определенным предком, , послужившим родоначальником патологического проявления у потомков и проводят оценку производителя по фенотипу, родословной и полученных от него потомков. Отбор же предусматривает дифференцированное воспроизведение различных генотипов. Различия между летальными факторами и факторами, обуславливающие стерильность, состоит в том , что первые прерывают развитие особи до достижения его половой зрелости, последние же лишь препятствуют образованию функционально способных первичных половых клеток. Первый случай зиготного летального фактора наблюдал Кэно (1908) при изучении наследования физических признаков у мышей. При изучении наследования окраски ему не удалось вывести мышей, которые были бы гомозиготными по доминантному гену окраски – оранжево-желтый. Киркхэм обнаружил гомозит, дегенерировавших на стадии бластулы. Отклонения от менделеевского расщепления можно было объяснить, допустив зиготную летальность. Этот классический пример иллюстрирует один из важнейших признаков наличия летального фактора, а именно отсутствие определенного теоретически ожидаемого класса (Робертсон, 1942). Летальные факторы можно подразделить также по типу их наследования, по степени и по фазам действия.
