УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Е.М. ВОЛКОВА Д.А. КАСПИРОВИЧ ес ГУ ГЕНЕТИКА С ОСНОВАМИ БИОМЕТРИИ П ол специальность «1-74 03 03 – Промышленное рыбоводство» Пояснительная записка Конспект лекций Лабораторные работы Литература Вопросы к экзамену Учебная программа дисциплины Перечень тестовых заданий Пинск ПолесГУ 2018 Генетика с основами биометрии ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА П ол ес ГУ Учебно-методическит комплекс по курсу "Генетика с основами биометрии" представляет собой целостную совокупность разновидностей учебных материалов, необходимых для проведения всех видов занятий по данной дисциплине, являющейся базовой дисциплиной специального цикла образовательной программы по подготовке специалистов в области биологической науки предназначенной для студентов, обучающихся по специальности 1-74 03 03 "Промышленное рыбоводство" специализации 1-74 03 03 02 "Переработка рыбной продукции". Целью создания учебно-методического комплекса является систематизация материала, необходимого для реализации требований образовательных программ и образовательных стандартов высшего образования. УМК включает в себя разнообразные материалы, предназначенные для организации и осуществления самостоятельной работы студентов. В нем обозначены основные вопросы по изучаемому курсу, указана литература, необходимая для углубления и расширения объема знаний, полученных на лекциях и почерпнутых из данного УМК, приведены учебные задания, вопросы для самоконтроля и тесты, которые могут быть использованы для выявления степени усвоения изучаемого материала. В структуре УМК представлены следующие основные разделы: теоретический раздел; практический раздел; контроль знаний; вспомогательный раздел. В первом разделе комплекса представлен краткий конспект лекций дисциплины "Генетика с основами биометрии". В нем изложены основные темы, изучаемые при прохождении курса. Второй раздел комплекса содержит материалы, необходимые для подготовки к лабораторным занятиям. В нем приведены вопросы, выносимые на рассмотрение на лабораторных занятиях, темы рефератов и кратких сообщении. Третий раздел содержит материалы текущей и итоговой аттестации (перечень вопросов к коллоквиумам и экзамену). В четвертом разделе комплекса содержится программа курса "Генетика с основами биометрии". В соответствии с этой программой формулировались и компоновались все другие элементы структуры учебно-методического комплекса. Также в заключительной части УМК приведены список основной и дополнительной литературы, которая может быть использована при изучении "Генетика с основами биометрии". Полесский государственный университет 2 Генетика с основами биометрии СОДЕРЖАНИЕ П ол 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5 5.1 ГУ 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 4 ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ…………………………………… СТРУКТУРНО – ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ ……………………………... ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ Моногибридное скрещивание……………………………… Дигибридное и тригибридное скрещивания……………… Генетика пола………………………………………… Сцепление генов и кроссинговер…………………… Рекомбинация у бактерий и вирусов…………………… МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ……………… Генетическая роль ДНК и РНК………………………… Репарация ДНК…………………………………………… Эволюция представлений о структуре и функциях гена……… Структура и функции гена……………………………… Транскрипция……………………………………………… Генетический код и трансляция………………………… ИЗМЕНЧИВОСТЬ И МУТАГЕНЕЗ…………… Наследственная и ненаследственная изменчивость. Мутации и их виды……………………………………… Молекулярные механизмы мутагенеза, генные и хромосомные мутации………………………………… Геномные мутации………………………………………… Спонтанный и индуцированный мутагенез…………… ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОНТОГЕНЕЗА…………… ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА……………………… Генетическая характеристика популяций…………… Факторы генетической динамики популяций…………… ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА…………………………………… Человек как объект генетических исследований……… Генотерапия……………………………………………… ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ………………… Генетика как теоретическая основа селекции…………… Основы селекции рыб…………………………………… ОСНОВЫ БИОМЕТРИИ…………………… ес 1 2 5.2 5.3 5.4 6 7 7.1 7.2 8 8.1 8.2 9 9.1 9.2 10 Полесский государственный университет 6 14 22 22 32 41 53 66 79 79 91 97 107 118 127 133 133 142 153 163 170 179 179 192 200 200 211 217 217 235 243 3 Генетика с основами биометрии 255 340 342 373 П ол ес ГУ ЛАБРАТОРНЫЕ РАБОТЫ………………………………… ЛИТЕРАТУРА………………………………………………. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ……………… ПЕРЕЧЕНЬ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ………………………. Полесский государственный университет 4 П ол ес ГУ Генетика с основами биометрии Полесский государственный университет 5 Генетика с основами биометрии 1. ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ ПЛАН 1. Предмет генетики, понятие о наследственности и изменчивости. 2. Этапы развития и разделы генетики. 3. Генетика в системе других наук. Достижения генетики, внедренные в практику человеческой деятельности. 4. Методы генетики. П ол ес ГУ 1. Предмет генетики, понятие о наследственности и изменчивости Основной целью генетики является изучение двух взаимосвязанных свойств организмов: наследственности; изменчивости. Эти свойства едины на всех уровнях организации живых систем. Изменчивость – это разнообразие. На его указывают данные систематики: количество видов цветковых растений – 286000; грибов – 100000, насекомых – не менее 1000000 и так далее. В основе изменчивости лежит изменение генов, их комбинирование, изменения их проявления в процессе индивидуального развития организма. Наследственность обеспечивает материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обуславливает специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды. Наследственность нельзя считать простым воспроизведением организмами родительских признаков и свойств в процессе онтогенеза. Наследственность и изменчивость прослеживаются в пределах отдельных видов. Ярким примером этому служит человек. Люди отличаются практически по всем признакам, например: по цвету глаз, волос, форме ушей, конечностей, темпераменту, обмену веществ, восприимчивости к различным болезням. Таковых различий множество. В то же время все мы знаем свои черты, которые характерны нашим предкам, родителям, братьям и сестрам. В чем причина разнообразия людей? Почему люди как представители одного вида или как родственники схожи между собой? Ответы на эти вопросы и дает нам генетика. Все дело в наследственных задатках – генах, которые родители передают своим детям. Под геном следует понимать элементарную единицу наследственной информации. Все гены организма составляют его генотип. Механизм наследования каждого индивидуума делает в определенной степени похожим на предков. Каждый новорожденный ребенок имеет свой Полесский государственный университет 6 Генетика с основами биометрии вариант комбинации генов, унаследованных от родителей. Поэтому нельзя встретить ребенка, который на все 100% схож с родителями. О схожести можно говорить в случае однояйцевых близнецов. Однако для этого они должны постоянно жить в идентичных условиях, так как на формирование признаков организма влияют как наследственные задатки, так и окружающая среда. В свое время (1865 г.) механизм наследственной передачи признаков изучил чешский ученый Г. Мендель, автор законов наследования дискретных факторов (генов). П ол ес ГУ 1.2. Этапы развития и разделы генетики Первые умозаключения относительно природы наследственности были сделаны в античную эпоху – к концу IV века до н. э. В то время в научном мире сосуществовало несколько теорий: прямое наследование; непрямое наследование. Гиппократ придерживался первой теории. Он был уверен в том, что признаки потомков обуславливаются репродуктивным материалом всех частей тела, в том числе органов. С Гиппократом не соглашался Аристотель. Он придерживался второй теории, согласно которой, в качестве «строительных кирпичиков» для репродуктивного материала выступают питательные вещества, формирующие части тела. Официальная дата рождения генетики – 1900 г. В этом году Г. Де Фризом, К. Корренсом и Э. Чермаком были опубликованы результаты работ Г. Менделя, установившего актуальные до сих пор законы наследственности. Термин «генетика» впервые предложил в 1906 г. У. Бэтсон. В развитии и становлении генетики выделяют четыре периода: 1. Домеделевский период (до 1865 г.). Это эпоха дарвинизма. Ч. Дарвин первым связал наследственность, изменчивость и отбор с эволюцией видов, указал на возможность их использования в селекционной работе. Правда, дискретная природа наследственности была впервые продемонстрирована Г. Менделем. 2. Период до переоткрытия законов Г. Менделя (1865-1900 гг.). Этот период ознаменовался бурным развитием техники, науки, что положительно повлияло на процесс развития и становления генетики. 3. Период классической генетики (1900-1953 гг.). Важная веха на этом этапе развития генетики принадлежит работам Т. Моргана, который со своими учениками предложили хромосомную теорию наследственности. Особого внимания заслуживают работы и открытия С.С. Четверикова – признан основателем популяционной генетики. Нельзя не отметить Н.К. Кольцова, развившего концепцию о химической природе гена. Выдвинутые в этот период гипотезы, сформулированные законы актуальны до сих пор. Полесский государственный университет 7 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 4. Эпоха современной генетики (1953 г. и по сей день). Начало периода приурочено к дате открытия трехмерной модели ДНК, за которую мы должны благодарить Дж. Уотсона и Ф. Крика. В этот период заложено начало молекулярной генетики, позволившей сделать множество открытий во вторую половину прошлого столетия. Ежегодно актуальность инструментов молекулярной генетики (например, генотипирование животных по локусам генов-маркеров) только растет. Хронология открытий, гипотез, законов, положительно сказавшихся на развитии и становлении генетики: 1865 г. – Г. Менделем проведены опыты над гибридными растениями. 1870 г. – Е. Страсбургер описал митоз у растений. 1875 г. – На примере животных А Ван Бенеден и О. Гертвиг показали слияние пронуклеусов при оплодотворении. 1879-1882 гг. – В. Флемминг описал митоз у животных. 1883-1884 гг. – Н.Н. Горожанкин и Е. Страсбургер установили факт слияния пронуклеусов при оплодотворении у растений. 1883-1884 гг. – В. Ру, Е. Страсбургер и О Гертвиг предложили ядерную гипотезу наследственности. 1884-1887 гг. – Л. Гейзер, Л. Гиньяр и Э. Ван Бенеден открыли «расщепление» хромосом. 1885 г. – К. Рабль установил постоянство наборов хромосом. 1887 г. – В. Флемминг и Э. Ван Бенеден описали редукционное деление. 1900 г. – Г. Де Фриз, К. Корренс, Э. Чермак переоткрыли законы Менделя. 1901-1903 гг. – Г. Де Фризом предложена мутационная теория изменчивости. 1911-1912 гг. – С.Г. Навашин описал основные типы митотических хромосом растений. 1922 г. – Н.И. Вавилов открывает параллелизм наследственной изменчивости у растений. 1923 г. – Н.И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости. 1926 г. – С.С. Четвериков заложил основы экспериментальной генетики популяций. 1927 г. – Г. Меллер при помощи лучей рентгена доказал мутагенность радиации. 1927 г. – Г.Д. Карпеченко, скрестив редьку и капусту, получил новый вид растения. 1929 г. – А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин впервые продемонстрировали сложную природу организации гена. 1931 г. – Г.А. Левитский детально развил представления о кариотипе. 1940 г. – А.С. Серебровский предложил уникальный биологический Полесский государственный университет 8 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ метод с вредителями сельского хозяйства. В основе метода лежат транслокации. 1944 г. – О. Эвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти определили генетическую роль нуклеиновых кислот. 1946-1947 гг. – И.А. Рапопорт и Ш. Ауэрбах привели доказательства мутагенности некоторых химических веществ. 1953 г. – Д. Уотсон, Ф. Крик предложили трехмерную модель двойной спирали ДНК. Ученые в своей работе проводили рентгеноструктурный анализ ДНК. 1965 г. – М. Мезельсон, Е. Юань выделили первую рестриктазу. 1966 г. – М. Ниренберг, Е. Очоа, Г. Корана расшифровали генетический код. 1967 г. – М. Геллерт открыл ДНК-лигазу. 1972-1973 гг. – Г. Бойер, С. Коэн, П. Берг разработали технологию клонирования ДНК. 1975-1977 гг. – Ф. Сэнгер, Р. Баррел, А. Максам, В. Гильберт предложили методы быстрого определения нуклеотидной последовательности. Молекулярная генетика в свою очередь стала фундаментом для принципиально нового направления – генетической инженерии, достижения которой внедрены в практику многих отраслей: сельского хозяйства, медицины, фармацевтической промышленности, промышленной микробиологии, пищевой промышленности. Особого внимания заслуживает программа «Геном человека», которая завершилась в 2003 г. Разделы генетики. Генетика современности удивляет своим стремительным развитием, быстрым прогрессом знаний. В этой науке за рекордно короткое время выделились новые разделы, которые стали самостоятельными науками. Речь идет о генетике человека, генетике животных, генетике растений, медицинской генетике, космической генетике, популяционной генетике, генетике поведения, генетике микроорганизмов, генетике вирусов, молекулярной генетике, генетической инженерии и прочих современных науках. 1.3. Генетика в системе других наук. Достижения генетики, внедренные в практику человеческой деятельности Методы, принципы, инструменты генетики используются практически во всех биологических науках. Генетика совместно с биохимией послужила основой для молекулярной биологии. Рациональность такого симбиоза подтверждается тем, что дискретность генов отражает дискретность кодируемых ими макромолекул. А к последним, как известно, относятся белки и рибонуклеиновые кислоты. Полесский государственный университет 9 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Теоретические аспекты генетики животных, растений, микроорганизмов интегрированы в зоологию, ботанику, микробиологию. Генетика поведения животных представляет интерес для физиологии животных, физиологии высшей нервной деятельности. Знания, достижения генетики востребованы во многих сферах человеческой деятельности. Рассмотрим лишь некоторые из них. Селекция растений, животных, птицы, рыбы и микроорганизмов. Классическая селекция основана на различных системах скрещиваний, гибридологическом анализе и прочих традиционных принципах. Доказана эффективность дополнения традиционной селекции последними достижениями молекулярной генетики, например, ДНК-анализом по генам-маркерам продуктивности и предрасположенности к заболеваниям. Примеры достижений селекции: 1. Карликовые мутанты распространенных злаков: пшеницы; риса; ячменя и так далее. Эти растения превосходят своих обычных аналогов по устойчивости к полеганию, пригодности к машинной уборке. Растениякарлики также характеризуются незначительными потерями урожая. 2. Полиплоидные растения. Своих диплоидных сородичей они превосходят по размеру, урожайности. Примеры полиплоидных растений: пшеница, рожь, сахарная свекла, земляника, арбуз. Пшеница в этом списке является единственным естественным полиплоидным растением. 3. Большое разнообразие окрасов и оттенков меха пушных зверей (норок, кроликов). Надо отметить, что селекционеры не перестают вести поиск сочетаний аллелей новых вариантов цветов и оттенков пушных зверей. 4. Высокопродуктивные специализированные породы животных, птицы рыбы, высокоурожайные, засухоустойчивые сорта. В процессе их создания использованы принципы и методы селекции по количественным признакам. 5. Штаммы-продуценты белково-витаминных концентратов из дрожжей, антибиотиков, витаминов, аминокислот и других БАВ на основе массового выращивания низших грибов и бактерий. Такие продуценты стали доступными благодаря мутационной селекции. 6. Штаммы бактерий и дрожжей, синтезирующих гормоны роста животных, интерферон человека, антиген вируса гепатита и других вирусов, используемых в борьбе с инфекционными заболеваниями. 7. Растения, в геном которых внесены гены нескрещивающихся с ними в естественных условиях видов. К таковым относятся соматические гибриды картофеля и томата, различные декоративные растения. Медицина. Генетика человека позволила установить факт наличия наследственных патологий. Таковых насчитывается около 2500. Генные мутации и хромосомные аберрации служат причинами недугов, затрагивающих обмен веществ, конституцию, психику. Полесский государственный университет 10 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Современные подходы к борьбе с наследственными болезнями: 1. Генодиагностика – включает методы, позволяющие выявлять изменения в структуре генома. Для ДНК-диагностики характерны: высокая специфичность и чувствительность; достоверность и простота. Способы ДНКдиагностики: определение специфических нуклеотидных последовательностей посредством гибридизации нуклеиновых кислот, определение специфических нуклеотидных последовательностей при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР). И в том, и в другом случае используются зонды, позволяющие выявлять комплементарные последовательности (искомого участка ДНК). В наши дни известно как минимум о 100 ДНК-зондах. 2. Генетическая терапия – это единственный способ излечения наследственных и других заболеваний. Все остальные только смягчают или временно устраняют симптомы. Разновидности генотерапии: заместительная; корректирующая. В первом случае в клетку вводится неповрежденный ген с последующим созданием условий для его экспрессии. К заместительной генотерапии прибегают, когда болезнь является следствием отсутствия или малого количества белкового продукта. Вносимая копия принимает на себя функции сохранившегося в геноме дефективного гена. Корректирующая генотерапия предполагает замену проблемного гена нормальным. Эта стратегия борьбы с заболеваниями пока не нашла практического применения. Принципы лечения: генетическая терапия ex vivo; генетическая терапия in vivo. Экология. Хозяйственная деятельность человека – это основная причина сокращения площади лесов, изменения водного баланса, наличия загрязняющих примесей в водоемах, воздухе и почве. Для прогнозирования и предотвращения нежелательных последствий вмешательства в природу человека необходимы знания не только экологии, но популяционной генетики, так как она имеет дело с большими численностями организмов, располагает способами определения оптимального соотношения различных видов. Одна из приоритетных целей генетики популяций – сохранение генофонда имеющихся видов. Генетики-экологи большое значение придают изучению мутагенной активности физических и химических агентов, которые использует человек. Ежегодно различным отраслям предлагаются новые вещества. Все они испытываются на генетическую активность. В этом деле помогают специальные тест-системы, созданные на основе штаммов микроорганизмов, культур дрозофилы, линий мышей, культур клеток животных, человека. 1.4. Методы генетики Гибридологический метод. Этот метод очень схож с методом генетического анализа, но не исчерпывает его, так как в генетическом анализе гибридологический метод часто сочетается с методами получения мутаций. Полесский государственный университет 11 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Условия проведения гибридологического анализа: 1. Принадлежность скрещиваемых организмов к одному виду. 2. Четкое различие скрещиваемых организмов по отдельным признакам. 3. Константность изучаемых признаков – их воспроизведение из поколения в поколение при скрещивании в пределах линии. 4. Характеристика и количественный учет всех классов расщепления, если оно наблюдается у гибридов первого и последующих поколений. Математический метод. Генетика как наука не состоялось бы без математического метода. Количественный анализ позволил Г. Менделю изучить результаты скрещиваний, построить гипотезы, объясняющие полученные результаты. Сравнение количественных данных эксперимента с теоретически ожидаемыми величинами – это неотъемлемая часть генетического анализа. В процессе такого сравнения используются методы вариационной статистики. Математический метод незаменим при изучении наследования количественных признаков, а также при изучении изменчивости, особенно ненаследственной, или модификационной. Цитологический метод. Используется для изучения клетки как основной единицы живой материи. Исследование строения хромосом вместе с гибридологическим анализом – это основа цитогенетики. В свое время результаты изучения параллелизма в поведении хромосом и наследовании признаков позволило заложить основу формирования хромосомной теории наследственности. В настоящее время анализ конъюгации хромосом в мейозе, наблюдение обменов между гомологичными и негомологичными хромосомами расширяют представления о материальных носителях наследственности. Моносомный метод. Дает возможность установить хромосому с искомым геном, а в сочетании с рекомбинационным методом – место локализации гена в хромосоме этого гена. Генеологический метод. Это вариант гибридологического метода, согласно которому наследование признаков изучается посредством анализа родословных и с учетом проявления этих признаков у животных родственных групп в нескольких поколениях. Генеологический метод широко применяется при изучении наследственности у человека и животных, малоплодие которых имеет видовую обусловленность. Близнецовый метод. Применим при изучении влияния определенных факторов внешней среды и их взаимодействие с генотипом животных, а также при установлении относительной роли генотипической и модификационной изменчивости в общей изменчивости признака. Близнецы – потомки, родившиеся в одном помете одноплодных животных. Они бывают идентичными (однояйцевыми), с одинаковым генотипом и неидентичными (разнояйцевыми), возникшими из раздельно оплодотворенных двух и более яйцеклеток. Полесский государственный университет 12 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Мутационный метод. Цель – определение характера влияния мутагенных факторов на генетический аппарат клетки, ДНК, хромосомы. Мутагенез – один из инструментов изменения организма с целью повышения его продуктивности, устойчивости к заболеваниям. Популяционно-статистический метод. Применяется для изучения явлений наследственности в популяциях. С его помощью устанавливают частоту доминантных и рецессивных аллелей, ассоциированных с тем или иным признаком, частоту доминантных и рецессивных гомозигот, гетерозигот, динамику генетической структуры популяций под влиянием мутаций, изоляции, отбора и прочих факторов. Феногенетический метод. Позволяет установить степень влияния генов и условий среды на свойства и признаки организмов в онтогенезе. Моделирование с помощью ЭВМ. Это эффективный способ изучения особенностей наследования количественных признаков в популяциях, оценки селекционных методов, например, массового отбора, отбора животных по селекционным признакам. Особый интерес данный способ представляет для генетической инженерии, молекулярной генетики. Полесский государственный университет 13 Генетика с основами биометрии 2. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ ПЛАН 1. Строение хромосом. 2. Упаковка ДНК в разных ядерных структурах, в том числе в хромосомах. 3. Кариотип и идиограмма. П ол ес ГУ 1. Строение хромосом Морфология хромосом обычно описывается на стадии метафазы или анафазы, когда они лучше всего видны в клетке. Есть растения, морфологию хромосом которых можно описать в профазе мейоза или митоза. Один из критериев классификации хромосом – расположение центромеры (рисунок 1). Различают: акроцентрические (палочкообразные). Хромосомы, центромера которых находится на конце или второе плечо настолько мало, что оно неразличимо на цитологических препаратах; субметацентрические. Хромосомы с разнящимися по длине плечами; метацентрические. У таких хромосом центромера расположена посередине или с некоторым отклонением от нее. Рисунок 1 – Типы метафазных хромосом в зависимости от положения центромеры Объективный критерий, позволяющий отнести хромосому к той или иной группе, – центромерный признак, – отношение длины короткого плеча к длине хромосомы в процентах: акроцентрические – до 12,5%; субметацентрические – 12,6-37%; метоцентрические – 37,1-50%. Полесский государственный университет 14 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Центромеру также называют первичной перетяжкой. Она определяет движение хромосомы и различима в виде более светлой зоны, которая движется в митозе и увлекает за собой несколько отстающие плечи хромосомы. Центромера имеет сложное строение: в ней находится ДНК с характерной последовательностью нуклеотидов, ассоциированная со специальными белками. На хромосоме, как правило, имеется одна центромера, потеря которой может привести к нарушению подвижности и потере хромосомы, – следствие хромосомной аберрации, вызванной ионизирующим излучением. Есть виды, содержащие полицентрические хромосомы с так называемой диффузной центромерой: растение рода Lusula (ожика); животные Ascaris megalocephala; насекомые отряда Hemiptera и другие. На хромосомах имеются и вторичные перетяжки, которые не являются местом прикрепления нитей веретена деления, и они не определяют угла изгиба хромосом при их движении. Вторичные перетяжки также называются ядрышковыми организаторами. В них локализуются гены, отвечающие за синтез рРНК. Теломеры в значительной степени ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований и препятствуют их слипанию. Структура хромосом, видимых в световой микроскоп, представлена: темными участками или гетерохроматином; светлыми участками или эухроматином. В гетерохроматине в сравнении с эухроматином спирализация хромосом очевиднее. При этом активность гетерохроматиновых участков меньше таковой эухроматиновых участков. Особенности распределения эу- и гетерохроматиновых участков постоянны для каждой хромосомы на определенной стадии митоза. Спутники – участки, соединяющиеся с хромосомой посредством тонкой нити хроматина. Форма и величина спутника постоянны для хромосом. Дифференциальная окраска хромосом. Один из способов выявления дифференцировки хромосомы по длине – окраска красителями, имеющими сродство к участкам ДНК определенного строения. Даже окраска по Фельгену, которая специфична относительно дезоксирибозы ДНК, при использовании некоторых предобработок позволяет выявлять участки хромосом, окрашивающиеся с разной интенсивностью. При Q- и Н-окраске используются флуоресцирующие красители – квинакрин (quinacrine) и Hoechst 33258, соответственно. Они позволяют выявлять участки хромосом, обогащенные парами нуклеотидов А-Т. G-окраска выявляет участки, обедненные генами, содержащие повышенное по сравнению со среднестатистическим количество А и Т. У Полесский государственный университет 15 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ человека в этих участках часто локализуются повторяющиеся последовательности LINE. R-окраска основана на использовании специальной предварительной обработке с последующей окраской красителем Гимза. Применяется для выявления поперечной исчерченности хромосом, обратной той, которая выявляется G-окраской. Участки R обогащены генами, которые содержат повышенное число пар Г–Ц, в них (у человека) часто встречаются повторяющиеся элементы SINE. Т-окраска – вариант R-окраски, предназначенный для выявления преимущественно концевых (теломерных) участков, наиболее обогащенных генами, парами Г–Ц и элементами SINE. С-окраска, основана на тепловой денатурации и последующей ренатурации ДНК и окраской по Гимза. Это инструмент выявления преимущественно гетерохроматиновых участков хромосом. FISH (fluorescent in situ hybridization) – дает возможность выявлять участки гомологии какому-либо фрагменту предварительно денатурированных молекул ДНК, объединенному с флуоресцирующим красителем, используемому в качестве зонда при гибридизации, непосредственно на цитологических препаратах. GISH (genomic in situ hybridization) – аналог метода FISH, но использующий в качестве зонда полную геномную ДНК какого-либо вида. Позволяет выявлять участки гомологии на препаратах хромосом другого вида. Два последних метода не относятся к методам дифференциальной окраски в строгом смысле слова, но они также делают возможным выявление гетерогенности хромосом по длине. Дополнительные возможности для выявления структурнофункциональной дифференциации хромосом по длине открывают методы иммунодетекции белков, взаимодействующих с ДНК хромосом постоянно или только на определенных стадиях клеточного цикла. Флуоресцентная микроскопия, компьютерные обработки изображений позволяют создавать многоцветные, эффектные образы хромосом. Хромомерная организация хромосом. Хромосомная нить на стадии профазы митоза содержит небольшие сильно окрашивающиеся тельца, называемые хромомерами. Наиболее выраженными являются хромомеры, встречающиеся в политенных хромосомах и хромосомах типа «ламповых щеток». Виды известных хромомер: лептотенные; пахитенные; хромосом типа «ламповых щеток»; интерфазных политенных хромосом. Общие свойства хромомер: Полесский государственный университет 16 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 1. Представляют собой отрезки компактизованной ДНК. 2. Число и рисунок хромомер у данного организма постоянны на данной стадии клеточного цикла. Число хромомеров существенно варьирует в разных типах тканей. Пример: пахитенные хромосомы Ornithogalum virens содержат 274 хромомеров, а в профазе митоза в клетках пыльцы их насчитывается 67. Причина такого различия связана с тем, что хромосомы клеток, находящихся на разных стадиях клеточного цикла, имеют разную степень компактизации. Изменение числа хромомеров сопровождается изменением их генетического содержания. Результаты исследований Дж. Беллинга, Лима-де-Фариа, X. Кэллана, Х. Бауера и других ученых позволяют сделать вывод, что хромомеры – это фрагменты хромосом, способные к локальной компактизации. Длина фрагмента ДНК, входящего в состав хромомера, различна на разных этапах процесса компактизации хромосом в ходе клеточного цикла. Поэтому закономерно предположить, что хромомер не может быть постоянной структурной единицей генома и для каждого этапа онтогенеза существуют свои наборы хромомеров. Гигантские (политенные) хромосомы. Длина этих хромосом больше таковой у хромосом многих интерфазных клеток в 100-200 раз, толщина – в 1000 раз. Первое доказательство существования гигантских хромосом получено в 1881 г. Е. Бальбиани, который обнаружил их в клетках слюнных желез мотыля (Chironomus). У личинок Drosophila melanogaster общая длина четырех пар хромосом в слюнных железах равна 2000 мкм, а в соматических клетках аналогичная величина составляет 7,5 мкм. Причины характерных форм и размеров гигантских хромосом: максимальная деспирализация; многократное воспроизведение хромосом без последующего расхождения. Участки более плотной спирализации хромонем (хромомеры) на гигантских хромосомах представлены в форме поперечной исчерченности – дисков. Такие политенные хромосомы далее не воспроизводятся и находятся в состоянии соматической конъюгации гомологов, достигающей идеальной точности. Диски и междисковые участки гомологов расположены строго параллельно и на большом протяжении хромосом тесно сближены. Такая конъюгация не характерна для хромосом подавляющего большинства соматических клеток. Возможность четко различать детали строения гигантских хромосом в дальнейшем была использована Т. Пайнтером для изучения их перестроек и характера конъюгации хромосом. Полесский государственный университет 17 Генетика с основами биометрии ес ГУ Хромосомы типа «ламповых щеток» открыты В. Флеммингом в 1878 г. Хромосомы этого типа являются результатом длительного мейотического деления, продолжительность которого может составлять несколько месяцев. В течение этого времени хромосомы пребывают в сильно декомпактизованном состоянии и их можно наблюдать в световой микроскоп. На более поздних стадиях мейоза хромосомы становятся компактными. Флемминг со своим студентом, изучая развитие ооцитов у амфибий и рыб, столкнулись со «странными тонкими структурами» в окрашенных срезах ядер ооцитов аксолотля Siredon pisciformis, находящихся на ранних стадиях развития. Рисунок этих хромосом был опубликован в 1882 г. На нем были изображены ядра, содержащие толстые осевые тяжи, с отходившими от них тонкими радиальными нитями. У. Дюрие в 1941 г. показал, что в состав этой хромосомы входит длинная нить, с расположенными на ней парными гранулами (хромомерами) размером 1-2 мкм, от которых отходят петли (рисунок 2). П ол Рисунок 2 – Схема строения бивалента типа «ламповых щеток», представленная Дюрие В наше время большие успехи в исследованиях хромосом этого типа достигнуты Дж. Голлом и X. Кэлланом. Благодаря им стало известно, что хромомеры различных размеров регулярно опознаются в одних и тех же положениях в хромосоме от препарата к препарату. Именно хромомеры и нити между ними содержат ДНК. Благодаря наличию петель с сильно различающейся морфологией стала доступной быстрая идентификация хромосомы в целом, так и отдельного ее участка, что соответственно, упростило картирование хромосом данного типа. Петли хромосом типа «ламповых щеток» по характеру накопления материала часто сильно разнятся (рисунок 3). Полесский государственный университет 18 Генетика с основами биометрии ГУ Рисунок 3 – Некоторые характерные типы петель и связанных с ними хромомеров в хромосомах типа «ламповых щеток» П ол ес Все хромосомы типа «ламповых щеток» состоят из пары хроматид, что можно наблюдать при механическом растяжении хромосомы с помощью микроманипулятора. Такой подход к изучению структурной организации хромосом показал, что материал петли выходит из одного хромомера и входит в соседний, а затем эти хромомеры сливаются в один в нерастянутой хромосоме. То есть петля – это межхромомерный промежуток хромосомы, а пара петель, выходящих из одной и той же пары хромомеров, – это две хроматиды. Каждая петля отличается довольно сложным строением – состоит из нитевидной сердцевины, окруженной накопленными в данном районе продуктами активности. От начала до конца петли накопление продуктов происходит асимметрично. Классическое распределение матрикса – по длине всей петли. При этом ясно различаются толстый и тонкий концы петли, толщина матрикса постепенно нарастает от тонкого конца к толстому и, достигнув максимума, больше не увеличивается. Производное этого типа организации: транскрипционная единица в петле расположена также полярно, однако в ее начале и конце имеются нетранскрибируемые участки. Есть петли, включающие две или более транскрипционные единицы противоположной полярности, расположенные либо «голова к голове» (голова – точка начала транскрипции), либо «хвост к хвосту» (хвост – участок терминации транскрипции). Возможности использования хромосом типа «ламповых щеток» значительно увеличились благодаря результатам исследований, полученным в 1998 г. Дж. Голлом и К. Морфи. Ими установлена возможность искусственного индуцирования «ламповых щеток», например, посредством инъецирования головки спермия в ооцит, в котором изначально имелись хромосомы этого типа. В этом случае из ДНК спермия формируются хромосомы типа «ламповых щеток», число которых идентично числу Полесский государственный университет 19 Генетика с основами биометрии хромосом гаплоидного набора вида. Не исключено, что такие хромосомы в скором будущем начнут получать после инъекций спермиев млекопитающих, и в первую очередь человека, что позволит картировать хромосомы с высоким уровнем разрешения. 2. Упаковка ДНК в разных ядерных структурах, в том числе в хромосомах В таблице 1 приведены результаты расчетов, которые дают представление об особенностях упаковки ДНК в различных ядерных структурах. ГУ Таблица 1 – Укладка ДНК дрозофилы в ядерных структурах Коэффициент упаковки ДНК в геноме Нуклеосома (нить диаметром 10 нм) Нуклеомер (нить диаметром 25-30 нм) по отношению к предыдущему уровню исходной молекулы ДНК 35000-56000 – – 5-7 5-7 – 5-7 25-49 765-1150 1,2-1,5 30-73 90-210 6300 – П ол Политенные хромосомы (эухроматиновая часть) Длина, мкм ес Структура Метафазная хромосома 7,5 Есть мнение, что компактизация ДНК, являющаяся причиной уплотнения тела митотической хромосомы, проходит через несколько структурных уровней (рисунок 4). Уровень I – нуклеосомный – ведет к сверхскручиванию ДНК по поверхности гистоновой сердцевины. Уровень II – нуклеомерный, называемый также сверхбусиной – 6 нуклеосом объединяются в глобулу. Так как эти этапы компактизации осуществляются на огромных линейных молекулах ДНК, то ряд сближенных нуклеомеров и образует 30нанометровую фибриллу. Уровень III – хромомерный – петли ранее отмеченных 30-нанометровых фибрилл, которые объединены «скрепками» из негистоновых белков, образуют компактные тела (0,1-0,2 мкм), дающие при искусственной деконденсации розетковидные структуры. Расположение петлевых доменов и хромомеров может быть неравномерным: участки тела митотической хромосомы, обогащенные ими, могут соответствовать полосам при дифференциальной окраске хромосомы. Полесский государственный университет 20 Генетика с основами биометрии а 2 3 4 5 ГУ 1 Рисунок 4 – уровни компактизации хроматина: 1 – нуклеосомный уровень; 2 – нуклеомерный; 3 – хромомерный (петлевой домен, розетки), 4 – хромосомный; 5 – хроматидный ес Уровень IV – хромонемный – происходит сближение хромомеров с последующим образованием толстых (0,1-0,2 мкм) нитей, видимых в световой микроскоп. Характер упаковки этой нити в теле хроматиды еще недостаточно выяснен: возможна как спиральная укладка хромонемы, так и образование ею еще одного уровня петлевых структур. П ол 3. Кариотип и идиограмма Постоянные характеристики хромосомного набора, их число и морфологические особенности, наблюдаемые непосредственно или выявляемые при помощи дифференциальной окраски, используют для описания кариотипа. Кариотип – это признаки, которые в комплексе позволяют идентифицировать данный хромосомный набор. Речь идет о числе хромосом, их форме, определяемой прежде всего особенностями расположения центромер, чередовании эухроматиновых и гетерохроматиновых районов. То есть кариотип можно назвать своего рода паспортом вида. Понятие кариотипа ввел в 1924 г. Г. А. Ливитский, который ассоциировал его сугубо с ядерными особенностями организма. В тоже время кариотип в той или иной степени связан как с генотипом, так и с фенотипом. Число ядерных хромосом особей, относящихся к одному виду, постоянно. Поэтому такое постоянство можно назвать видовым специфическим признаком. Клетки всех организмов берут свое начало от зиготы – клетки, образующейся в результате слияния двух гамет (половых клеток с одинарным или с гаплоидным набором хромосом – n). В зиготе набор хромосом – Полесский государственный университет 21 Генетика с основами биометрии диплоидный (2n). В кариотипе присутствуют аутосомы – пары хромосом, свойственных представителям обеих полов, и одна пара, по которой мужские и женские особи различаются, – половые. Число хромосом у некоторых объектов генетики: 46 60 64 54 Гусь Мышь Дрозофила Аскарида 82 40 8 2 Свинья Кролик Индейка Курица 38 44 82 78 Речной рак Сазан Кукуруза Картофель 116 104 20 48 Радиолярия Томат Гидра пресноводная Окунь 1600 24 32 48 Карась Краб Тритон Табак 94-100 254 24 48 ес ГУ Человек Крупный рогатый скот Лошадь домашняя Овца П ол Кариотип может быть изображен в виде идиограммы (рисунок 5). Это схема, на которой хромосомы располагают в ряд по мере убывания их длины. На идиограмме изображается по одной из каждой пары гомологичных хромосом. Рисунок 5 – Схематическая карта хромосом человека Полесский государственный университет 22 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ В ядрах клеток многих сложных организмов наряду с постоянными компонентами кариотипа (А-хромосомами) имеются дополнительные (Вхромосомы). Часто они почти целиком состоят из гетерохроматина. Число их варьирует от одной до нескольких десятков у некоторых растений. Причины их появления и выполняемые ими функции пока не ясны, однако известно, что частота встречаемости В-хромосом повышается на границах ареалов видов. Полесский государственный университет 23 Генетика с основами биометрии 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ 3.1 МОНОГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ ПЛАН 1. I и II законы Менделя. Условия выполнения второго закона Менделя. 2. Фенотип и генотип. 3. Анализирующее, возвратное, реципрокные скрещивания. ес ГУ 1. I и II законы Менделя. Условия выполнения второго закона Менделя Началом любого скрещивания является определение признака, под которым следует понимать отдельное качество организма, по которому одна его часть отличается от другой или одна особь от другой. Признак в генетическом смысле – это любая особенность, выявляемая при описании организма: форма гребня у кур, окраска цветка, цвет глаз... О признаке можно говорить, если он проявляется постоянно и имеет контрастные проявления. Чтобы убедиться в их константности, Мендель в течение двух лет предварительно проверял различные формы гороха. Им было выделено семь признаков, имеющих по паре контрастных проявления (таблица 1). П ол Таблица 1 – Признаки растений гороха, исследованные Г. Менделем Альтернативные признаки доминантные рецессивные Фенотип потомства в F x Форма зрелых семян гладкая морщинистая гладкая Окраска семядолей (эндосперма) желтая зеленая желтая Окраска цветков* пурпурная белая пурпурная Форма зрелых бобов выпуклая с перехватами выпуклая зеленая желтая зеленая пазушное верхушечное пазушное высокое низкое высокое Признак Окраска незрелых бобов Расположение цветков Высота растения После моногибридного скрещивания Полесский государственный университет (рисунок 1), при котором 24 Генетика с основами биометрии родительские формы двух чистых линий, различаются по проявлениям одного изучаемого признака, было установлено, что в F1 проявляется только один из пары родительских признаков. Мендель назвал его доминантным, а признак, а не проявляющийся – рецессивным. АА аа P: А Гаметы а F1: рецессивный признак ГУ доминантный признак Aa X Aa Гаметы: F2: Aa a ес a A A П ол 1AA 2Aa 1aa Рисунок 1 – Моногибридное скрещивание (наглядный пример первого и второго законов Г. Менделя) Мендель заключил, что в F1 признак одного из родителей (рецессивный) не исчезает, а переходит в скрытую форму. Позднее это явление доминирования было названо первым законом Менделя или законом единообразия гибридов первого поколения. Этот закон также известен как «закон доминирования признаков». Его формулировка основывается на понятии чистой линии относительно исследуемого признака – на современном языке это означает гомозиготность особей по этому признаку. Понятие гомозиготности было введено позднее У. Бэтсоном в 1902 году. Неполное доминирование и кодоминирование. Наряду с полным доминированием Г. Мендель наблюдал неполное (частичное) доминирование и кодоминирование (рисунок 2). Фенотип гетерозиготы при неполном доминировании имеет фенотип, промежуточный между фенотипами гомозигот (вторая колонка). При этом правило Менделя о единообразии фенотипа в F1 соблюдается. Полесский государственный университет 25 П ол ес ГУ Генетика с основами биометрии Рисунок 2 – Варианты доминирования, установленные Г. Менделем В F1 и по фенотипу, и по генотипу расщепление выражается отношением 1:2:1. Пример неполного доминирования – промежуточная розовая окраска цветка у гибридов ночной красавицы Mirabilis jalapa, полученных от скрещивания красноцветковой и белоцветковой форм. Как оказалось, неполное доминирование – это распространенное явление, которое было отмечено при изучении наследования окраски цветка у львиного зева, окраски оперения у андалузских кур, шерсти у крупного рогатого скота и овец. Кодоминирование – это явление, при котором оба аллеля дают равноценный вклад в формирование фенотипа. Пример: люди с группами крови АА и ВВ гомозиготны, в случае гетерозигот АВ оба аллеля одинаково экспрессируются. Мендель скрестил гибриды, полученные в первом поколении, между собой и во втором поколении наряду с доминантным признаком вновь появился рецессивный, что наглядно видно на рисунке 1. Их соотношение Полесский государственный университет 26 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ составило 3:1, а если точнее 2,96:1. Это позволило сделать вывод, что рецессивный признак не теряется, и в следующем поколении он снова проявляется (выщепляется) в чистом виде. Г. Де Фриз в 1900 г. назвал это явление законом расщепления, а позднее его назвали вторым законом Менделя. Его сущность: находясь в гетерозиготном состоянии в первом поколении два наследственных фактора, определяющих альтернативные признаки, не сливаются друг с другом и при формировании гамет расходятся в разные гаметы, так что 1/2 из них получает один признак, а оставшаяся часть – другой. Иначе этот закон называют законом «чистоты гамет». Цитологические основы моногибридного скрещивания. В каждой гамете родительских особей находится по одному гену: в одном случае A, в другом – а. Таким образом, в первом поколении все соматические клетки будут гетерозиготными – Aa. В свою очередь, гибриды первого поколения с равной вероятностью могут образовывать гаметы A или a. Случайные комбинации этих гамет при половом процессе могут дать следующие варианты: AA, Aa, aA, aa. Первые три растения, содержащие ген A, по правилу доминирования будут иметь желтые горошины, а четвертое – рецессивная гомозигота aa – будет иметь зеленые горошины. Условия выполнения второго закона Менделя: Расщепление 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу возможно при следующих условиях: 1. Изучение большого числа скрещиваний (потомков). 2. Образование в равном количестве гамет, содержащих аллели А и а. 3. Равная вероятность слияния гамет, содержащих любой аллель, друг с другом, то есть отсутствие избирательного оплодотворения. 4. Одинаковая жизнеспособность зигот (зародышей) независимо от генотипов. 5. Принадлежность родительских форм к чистым линиям – действительная гомозиготность по изучаемому гену (АА и аа). 6. Моногенность признака. Причины успеха экспериментов, проведенных Г. Менделем с садовым горохом: 1. Садовый горох относится к быстрорастущим однолетним растениям, что делает доступным анализ наследования одних признаков в том же сезоне после созревания плодов, а других – в следующем после проращивания семян. Это растение дает многочисленное потомство (число семян в бобах 6-8, а число бобов на растении – до 20 шт.). При этом каждое семя есть результат индивидуального скрещивания. 2. Садовый горох – диплоидное растение (2n). При полиплоидности регистрация закономерности расщепления признаков в потомстве невозможна. Полесский государственный университет 27 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 3. Горох – это самоопылитель, содержащий мужские и женские генеративные органы, однако, способный к перекрестному опылению. Удаление отдельных органов делает доступным искусственное опыление. 4. Г. Мендель проанализировал 7 пар альтернативных признаков, которые не связаны между собой. 5. Использованы чистые линии растений. 6. Впервые применен четкий количественный учет всех типов потомства. Отклонения от ожидаемого расщепления. В 1923 г. Г. Менделем было отмечено, что плодовитость гибридов, их потомков в последующих поколениях должна оставаться в той или иной степени без нарушений в плодовитости. Нарушения в расщеплениях будут иметь место при рознящейся жизнеспособности классов. Отклонения от теоретического соотношения 3:1 довольно часты. Пример: результатом скрещивания желтых мышей между собой является появление новой окраски при соотношении 2 (желтые) : 1 (черная). Это характерно и для лисиц платиновой окраски, после скрещивания которых, появляются серебристо-черные особи при том же соотношении. Позже было установлено, что животные с платиновой окраской всегда гетерозиготны, а особи с гомозиготным генотипом гибнут в эмбриональный период. У овец доминантный аллель, обуславливающий окраску ширази (речь идет о сером каракуле), летален в гомозиготе, в результате чего ягнята гибнут на ранних стадиях постэмбрионального развития. Результатом такой летальности является смещение расщепления в сторону 2:1 (ширази-черные). Подобных примеров огромное количество. И во всех случаях расщепление составляет 2:1. На первый взгляд, кажется, что такое отклонение указывает на ошибочность законов, открытых Г. Менделем. На самом деле оно лишь подтверждает их. 2. Фенотип и генотип Генотип – это совокупность генов организма. Часто его путают с генофондом. В первом случае характеризуется особь, а во втором – вид. Сходное понятие – геном, обозначающий совокупность генов, содержащихся в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом данного организма. Термины «генотип», «фенотип» как, в принципе, и термин «ген» предложил в 1909 г. В.Л. Иогансен. Фенотип – внешние и внутренние признаки организма, приобретенные в результате онтогенеза (индивидуального развития). Факторы, определяющие фенотип: генотип; внешние воздействия. Полесский государственный университет 28 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Сегодня генотипом чаще называют полиморфные варианты определенного гена, то есть комбинации его аллелей. Большинство генов проявляются в фенотипе организма, но фенотип и генотип рознятся по следующим показателям: 1. По источнику информации (генотип определяется при изучении ДНК особи, фенотип регистрируется при наблюдении внешнего вида организма). 2. Генотип не всегда соответствует одному и тому же фенотипу. Некоторые гены имеют фенотипическое проявление при определенных условиях. С другой стороны, некоторые фенотипы, например, окраска шерсти животных, являются результатом взаимодействия нескольких генов по типу комплементарности. У диплоидных организмов в фенотипе проявляются доминантные гены. Некоторые неопределенности, связанные с понятием «фенотип». Львиная доля молекул и структур, кодируемых генетическим материалом, внешне незаметна, но является частью фенотипа. Пример: группы крови. Поэтому расширенное определение фенотипа должно включать характеристики, которые могут быть обнаружены техническими, медицинскими или диагностическими процедурами. Дальнейшее, более радикальное расширение может включать приобретенное поведение или даже влияние организма на окружающую среду и другие организмы. В этом плане интересно мнение Ричарда Докинза – плотина бобров и их резцы – это фенотип генов бобра. Фенотип можно назвать «выносом» генетической информации навстречу факторам среды. В первом приближении можно говорить о следующих его характеристиках: «мерность» фенотипа – число направлений выноса определяет число внешних факторов, на которые реагирует фенотип; «дальность» выноса – говорит о степени чувствительности фенотипа к данному фактору среды. В сумме эти характеристики определяют богатство и развитость фенотипа. Фенотип становится богаче по мере повышения его многомерности, чувствительности, отдаленности от генотипа. Если сравнить вирус, бактерию, аскариду, лягушку и человека, то богатство фенотипа в этом ряду растет. Особенности становления фенотипа зависят от разных типов взаимодействия генов: комплементарность; неполное доминирование; кодоминирование; эпистаз; плейотропного эффекта гена и так далее. 3. Анализирующее, возвратное, реципрокные скрещивания Анализирующее скрещивание – скрещивание гибридной особи с особью, гомозиготной по рецессивным аллелям, то есть «анализатором». Смысл: потомки от такого скрещивания обязательно несут один рецессивный аллель от «анализатора», на фоне которого должны проявиться аллели, полученные Полесский государственный университет 29 Генетика с основами биометрии от анализируемого организма. Одна из особенностей анализирующего скрещивания (исключение – взаимодействия генов) – совпадение расщеплений по фенотипу и генотипу. Посредством анализирующего скрещивания можно определить генотип и соотношение гамет разного типа, образуемых анализируемой особью. Пример можно наблюдать на рисунке 3. Скрещивание растений гороха с белыми цветками (аа) и пурпурных гетерозигот (Аа) дает расщепление 81 к 85, что почти равно соотношению 1:1. Aa a Aa aa a ГУ A x ес aa 1 : 1 Рисунок 3 – Схема анализирующего скрещивания П ол В этом случае образуются гетерозиготы, аллели не смешиваются друг с другом и в дальнейшем проявляются в «чистом виде». В дальнейшем У. Бэтсон на этой основе сформулировал правило чистоты гамет. Возвратное скрещивание – скрещивание гибрида на одну из родительских форм. Задача – насыщение генотипов гибрида, генами одного из родителей. Реципрокные скрещивания – два скрещивания, характеризующихся прямо противоположным сочетанием пола и исследуемого признака: 1. Самец с определенным доминантным признаком скрещивается с самкой с рецессивным признаком. 2. Самка с доминантным признаком скрещивается с самцом с рецессивным признаком. Задачи реципрокного скрещивания: определение роли пола в наследовании признака; определение родителя, передающего потомству цитоплазматические наследственные факторы. Обязательное условие – родители должны принадлежать к чистым линиям. В настоящее время, в связи с развитием молекулярной генетики, практическое значение реципрокного скрещивания снизилось. Полесский государственный университет 30 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Дополнение – краткий исторический очерк о научной деятельности Г. Менделя и результатах его работ Первый знаменитый труд «Опыты над растительными Гибридами» Г.И. Мендель, настоятель католического монастыря в чешском городе Брно опубликовал в 1866 г. Результаты работы стали причиной длительных дискуссий. В то же время они стали основой для новой науки. Обсуждаемые вопросы: 1. Заметили ли работу Меделя его современники до 1900 г? 2. Знали ли о работе ученые, которые переоткрыли законы Менделя? 3. Понимал ли Мендель масштаб, значение, суть того, что было им открыто? 4. Содержит или нет работа Менделя собственную формулировку законов? Это не все моменты, которые до сих пор вызывают сомнения у генетиков. Работа Менделя получила широкую известность лишь в 1900 г. Однако с 1865 по 1900 г. работы Менделя цитировались в научных изданиях как минимум 11 раз, что свидетельствует о ее известности. Говорить о том, что она была забыта, не приходится. В нынешний век с каждым годом увеличивается количество сомнений в том, что переоткрыватели законов Менделя не читали его работу до начала своих экспериментов. Немало историков, считающих, что Мендель не до конца осознавал значимость написанного им. Этот момент они объясняют тем, что не найдено четких формулировок законов непосредственно в статье Менделя. На самом деле это не так. В письме Менделя, которое адресовывалось одному из известных профессоров, описывались результаты опытов с горохом, а также сообщалось об открытиях двух основных принципов наследования: закона расщепления и закона независимого распределения единиц наследования. В 1936 году Р. Фишером была опубликована работа, в которой он поставил под сомнение результаты экспериментов Г. Менделя. Фишер полагал, что они подозрительно соответствуют идеальным соотношениям, он практически обвинил Менделя в том, что он заблаговременно знал закономерность наследования и «подогнал» экспериментальные данные. Ряд генетиков поддерживают заявление Фишера. Подытоживая, можно заключить, что неоднозначные вопросы, касающиеся результатов работы Менделя, связаны с недостаточной подготовленностью генетиков в 1865 г. к установленным закономерностям наследования, которые были восприняты должным образом биологами в 1900 г. Полесский государственный университет 31 Генетика с основами биометрии 3.2 ДИГИБРИДНОЕ И ТРИГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ ПЛАН 1. Дигибридное скрещивание. 2. Тригибридное и полигибридные скрещивания. 3. Типы взаимодействия неаллельных генов. П ол ес ГУ 1. Дигибридное скрещивание Дигибридное – это скрещивание, в котором родительские формы рознятся по двум парам альтернативных признаков, которые и учитываются у гибридов. Требования, предъявляемые к дигибридному скрещиванию: 1. Нахождение учитываемых генов в негомологичных хромосомах; число их при этом не может превышать гаплоидного числа хромосом у данного вида. 2. Равновероятное образование гамет всех сортов на основе случайного расхождения хромосом в мейозе. 3. Равновероятное созревание гамет всех типов. 4. Равновероятная встреча гамет при оплодотворении. 5. Равновероятная выживаемость зигот и взрослых организмов. 6. Относительная стабильность развития изучаемых признаков. Мендель скрещивал родительские формы гороха, одна из которых давала желтые и гладкие семена (AB), а вторая – зеленые и морщинистые (ab). Количество вариантов семян по результатам скрещивания: гладкие желтые семена – 315, морщинистые желтые – 101, гладкие зеленые – 108, морщинистые зеленые – 32. Гаметы в этом скрещивании образуются в соответствии с расщеплением хромосом в мейозе. Их сочетания проще определять при помощи решетки Пеннета: Р ААВВ × ааbb желтые гладкие зеленые морщинистые G АВ аb F1 AaBb желтые гладкие гаметы F1 AB Ab aB Ab AB AABB AABb AaBB AaBb AB AB AB AB Ab AABb Aabb AaBb Aabb AB Ab AB Ab aB AaBB AaBb aaBB aaBb AB AB aB aB ab AaBb Aabb aaBb aabb AB Ab aB ab Всего получается 16 комбинаций гамет, в том числе: Полесский государственный университет 32 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 9 клеток с хотя бы одним доминантным аллелем из каждой пары; 3 клетки, в которых имеется A аллель, а и b в гомозиготе; 3 клетки с гомозиготным аллелем a; 1 клетка, в которой и a и b – гомозиготы. Можно посчитать ожидаемое расщепление для этих 4-х фенотипических классов: A-B- 556 × 9/16 = 312 (получено 315); A-bb 556 × 3/16 = 104 (получено 101); aaB- 556 × 3/16 = 104 (получено 108); aabb 556/16 = 32 (получено 34). Реальное расщепление идеально соответствует теоретически ожидаемому. Если подсчитать числа семян по каждой паре признаков отдельно от другой пары окажется, что отношение числа гладких семян к числу морщинистых было 423:133, а желтых к зеленым – 416:140, т.е. для каждой пары отношение было 3:1. Очевидно, что в дигибридном скрещивании каждая пара признаков при расщеплении в потомстве ведет себя так же как в моногибридном скрещивании, т.е. независимо от другой пары признаков. Таким образом, Г. Мендель объективно установил существование третьего закона наследования – закона независимого наследования признаков, суть которого заключается в следующем: Каждая пара альтернативных признаков в ряду поколений ведет себя независимо друг от друга, в результате чего среди потомства появляются организмы с новыми комбинациями признаков. Установленная закономерность позволила Г. Менделю сформулировать принцип генетической рекомбинации – появление потомства с комбинацией генов, отличной от родительской. Рекомбинация связана с независимым расхождением хромосом при гаметогенезе или с кроссинговером. 2. Тригибридное и полигибридное скрещивание В тригибридном скрещивание родительские формы различаются по трем парам альтернативных признаков. Пример: скрещивание двух сортов гороха: с желтыми гладкими семенами и пурпурной окраской цветков; с зелеными и морщинистыми семенами и белой окраской цветков. У тригибридных растений проявятся доминантные признаки – желтая окраска и гладкая форма семян, а также пурпурная окраска цветка (рисунок 1) Тригибридное растение в результате независимого расщепления генов продуцирует 8 типов гамет (ABC, авс, АВс, авС, Авс, аВС, аВс, AвС, женских и мужских. Сочетаясь, они дадут в F2 64 комбинации, 27 генотипов и 8 фенотипов. Полесский государственный университет 33 Генетика с основами биометрии PP гаметы ♀ AABBCC × ♂ aaввсс АВС F1 авс AaВвСс Рисунок 1 – Схема тригибридного скрещивания на примере скрещивания двух сортов гороха На основе этих данных можно сформулировать общее правило относительно потомства гибридов, полученных от скрещивания особей, отличающихся определенным числом генов: ГУ Каждый новый ген увеличивает число гамет и фенотипов в 2 раза, а число генотипов – в 3 раза. То есть, особь, гетерозиготная по п парам генов, может произвести 2n типов гамет и 3n типов различных генотипов. П ол ес Существует несложная процедура, с помощью которой можно вычислить частоту генотипа в потомстве родителей, отличающихся определенным числом независимо наследующихся генов. Она предполагает подсчет вероятности соответствующего генотипа для каждой пары генов отдельно с последующим переумножением. Стратегия расчета. Допустим возникла необходимость в подсчете ожидаемой частоты генотипа АаВвСс в потомстве, полученного от скрещивания ♀ААВвСс × ♂ааВВСс. Вероятности генотипов с учетом скрещиваний: Аа (АА × аа) = 1; Bв (Bв × ВВ) = 1/2; Сс (Сс × Сс) = 1/2; АаВвСс = (1/1) (1/2) (1/2) = 1/4. Эти основные положения, установленные генетическими и цитологическими методами, позволяют сделать следующий шаг в анализе закономерности наследования: выявить их общее значение при полигибридном скрещивании. Полигибридное – это скрещивание родительских форм, отличающихся по четырем и большему числу пар генов. Для определения результатов скрещивания полигибридов можно воспользоваться общими зависимостями, с помощью которых определяется число ожидаемых фенотипов и генотипов (таблица 1). Полесский государственный университет 34 Генетика с основами биометрии Таблица 1 – Ожидаемые результаты скрещиваний при разном числе пар генов Число Число фенотипов в F2 Число пар различных Число возможных Число генотипов при полном генов типов гамет комбинаций в F2 в F2 доминировании в F1 2 4 2 3 2 4 16 4 9 3 8 64 8 27 4 16 256 16 81 n 2n 4n 2n 3n ГУ 1 Выше были рассмотрены аллельные взаимодействия генов, при которых доминантный аллель полностью или неполностью подавляет действие рецессивных аллелей, то есть признаки обусловливаются взаимодействием аллелей одного гена (локуса). П ол ес 3. Типы взаимодействия неаллельных генов Неаллельное взаимодействие генов – это развитие признака при совместном действии двух и более неаллельных генов. Это явление открыл Э. Бэтсон в начале прошлого столетия. Типы неаллельного взаимодействия генов: комплементарное; эпистатическое; полимерное; модифицирующее действие. Комплементарные (дополнительные) – это гены, которые при совместном действии в генотипе в гомо- или гетерозиготном состояниях (А-В) обусловливают развитие нового фенотипического признака, не свойственного родительским формам. Впервые такое взаимодействие обнаружено у душистого горошка (Lathyrus odoratus). При скрещивании двух линий этого растения с белыми цветками у гибрида F1 цветки оказались красными. Каждый из доминантных генов в отдельности не может обусловить развитие окраски, так как антоциановые пигменты вырабатываются сугубо при наличии доминантных аллелей обоих генов. Поэтому растения с генотипами A-В- имеют пурпурные цветки, а А-вв, ааВ- и аавв – белые цветки. В F2 расщепление соответствует 9:7. Подобное явление наблюдается у земляники, белого клевера, кукурузы и других культур. В приведеном примере каждый ген в отдельности не обладает Полесский государственный университет 35 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ способностью вызывать развитие признака. Последний развивается лишь при взаимодействии доминантных аллелей двух генов. В то же время известны, случаи, когда один или оба комплементарных гена характеризуются самостоятельным проявлением. Расщепление в F2 будет соответственно 9:3:4 и 9:3:3:1. Меняется характер расщепления и в том случае, когда оба комплементарных гена обладают сходным фенотипическим эффектом – 9:6:1. Эпистаз – это неаллельное доминирование, при котором аллель одного гена подавляет аллель другого гена, неаллельного ему. Например, А- > В- или В- > А-, аа > В- или вв > А-. Гены, подавляющие действие других генов, называют эпистатичными или супрессорами, ингибиторами. Они делятся на доминантные и рецессивные. Подавляемый ген называют гипостатичным. Типы эпистаза: доминантный; рецессивный. Доминантный эпистаз – это подавление доминантным аллелем одного гена действия аллельной пары другого гена. Рецессивный эпистаз – рецессивный аллель одного гена, будучи в гомозиготном состоянии, не дает возможности проявиться доминантному или рецессивному аллелю других генов: аа > В- или аа > вв. Так, куры породы «Белый леггорн» имеют белое оперение, куры породы полосатый плимутрок – окрашенное. Белое оперение разных пород кур определяется различными генами. В первом случае CCII, а во втором – ccii. Ген С детерминирует окрашенность пера (присутствие хромогена), а его аллель с – отсутствие хромогена и, следовательно, неокрашенность пера. Ген I – это ингибитор действия гена С, который не подавляется геном i. Скрещивание белых леггорнов с белыми плимутроками в F1 дает белых цыплят, а в F2 – 3/16 особей с окрашенным пером. Расщепление в данном случае будет 13:3. Доминантный эпистаз может давать и другое отношение при расщеплении в F2 по фенотипу, а именно 12:3:1. В этом случае форма, гомозиготная по обеим рецессивным аллелям (аавв), будет фенотипически отличима от форм с доминантными аллелями двух генов (А-В-) и форм с одной из них: ааВ- и А-вв. Такое расщепление установлено для наследования окраски плодов у тыквы, кожуры у лука, окраски семян у овса, окраски шерсти у лошади и других признаков. С рецессивным эпистазом мы столкнулись при рассмотрении комплементарного взаимодействия генов. Расщепление в F2 9:3:4 соответствует рецессивному эпистазу: аа > В-. Это одинарный рецессивный эпистаз. Известны и другие случаи, например, когда рецессивный аллель каждого из генов в гомозиготном состоянии одновременно реципрокно Полесский государственный университет 36 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ (взаимно) подавляет действие доминантных аллелей каждого из генов, то есть аа > В- и вв > А-. Это двойной рецессивный эпистаз. При этом в дигибридном скрещивании расщепление по фенотипу будет соответствовать 9:7, как и в случае комплементарного взаимодействия генов. Следовательно, одно и то же соотношение можно трактовать и как комплементарное взаимодействие, и как эпистатическое. Выяснить наследственную детерминацию развития данных признаков можно только с помощью генетического анализа. Основные законы наследственности были открыты благодаря анализу контрастных, альтернативных признаков, которые легко различались между собой. Каждый признак (окраска цветка, форма и цвет горошины) определялся различными аллелями одного гена. Такие четко различимые альтернативные формы характерны не для всех признаков. К таковым можно отнести высоту растения, вес, продолжительность жизни, длину колоса и т.д. Факторы, определяющие непрерывную изменчивость: взаимодействие между различными генами; взаимодействие между генами и окружающей средой (генотип × среда). Количественные признаки поддаются измерению, подсчету, взвешиванию. Их детерминируют многие гены, которые действуют суммирующе, эквивалентно. Это полимерные гены, однозначно действующее на один признак. Для их обозначения используется одна латинская буква с указанием индекса для разных генов: A1; А2; А3, и т.д. Полимерия – это неаллельное взаимодействие генов, при котором разные локусы (гены) производят одинаковый или сходный фенотипический эффект. При накоплении в фенотипе доминантных полимерных генов их действие суммируется. Эти гены имеют кумулятивный (аддитивный) эффект, поэтому взаимодействие такого типа называют кумулятивной полимерией. Такой тип наследования характерен почти всем количественным признакам: высоте растения, длине колоса, урожайности, содержанию белка или жира. При кумулятивной полимерии степень выражения количественного признака зависит от числа доминантных генов. По результатам изучения наследования перечисленных признаков, было установлено, что F1 имеет промежуточный фенотип, а в F2 образуется непрерывный вариационный ряд по внешнему проявлению данного признака. В этом случае выделение очевидных фенотипических классов невозможно, как при наследовании альтернативных признаков (окраска цветков, форма семян у гороха). Изменчивость количественного признака в отличие от альтернативного оценивается амплитудой его варьирования. Шведский генетик Г. Нильсон-Эле, скрещивая разные линии пшеницы с Полесский государственный университет 37 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ красными и белыми зернами, установил, что гибридные семена имели промежуточные окраски, а в F2 обнаружил расщепление в соотношении 3:1; 15:1; 63:1, т.е. окраска зерна определяется одной, двумя или тремя парами полигенов. Генотипы линий пшеницы можно обозначить как АА и аа; А1А1А2А2 и а1а1а2а2, AlAlAlA2A3A3 и а1а1а2а2а3а3. При увеличении числа пар генов, ответственных за признак, снижается частота фенотипов с крайними проявлениями признака. Это можно рассчитать, используя формулу (1/2)2*n, где n – число пар генов. При моногенном признаке частота крайних фенотипов (гомозигот) составляет: (1/2)2*1 = 1/4; при дигенном признаке – (1/2)2*2 = 1/16; при полигенном признаке – (1/2)2*n. При скрещивании двух родительских форм, обладающих в равной степени желательным признаком, могут появиться потомки, которые превосходят обоих родителей или уступают им по этому признаку. Это явление называется трансгрессией, которая может быть, как положительной, так и отрицательной. Явление трансгрессии характерно для кумулятивной полимерии. В основе образования трансгрессий лежит процесс, который проще всего можно пояснить при помощи следующей схемы: РР ♀ А1А1а2а2 × а1а1А2А2 F1 А1а1А2а2 F2 А1А1А2А2 а1а1а2а2 (положительная (отрицательная трансгрессия) трансгрессия) Как видно, каждая родительская форма несет один доминантный ген (соответственно А1 и А2), связанный с определенным признаком. В F1 (А1а1А2а2) могут возникнуть комбинации, которые являются трансгрессивными, то есть превосходят родителей по степени развития данного признака. Одна из таких комбинаций AlA1A2A2 содержит оба доминантных гена и представляет собой положительную трансгрессию; напротив, комбинация а1а1а2а2 представляет собой отрицательную трансгрессию, утратившую как ген A1 так и ген А2. Частота трансгрессивных форм зависит от числа полигенов, контролирующих признак: чем больше генов – тем меньше трансгрессивных форм. Полимерные гены с однозначным действием могут наследственно определять и качественные признаки. Примером такого действия полигенов может служить наследование формы плода (стручка) у пастушьей сумки. У этого вида обычно встречаются растения с треугольной и очень редко – с яйцевидной формой плода. От скрещивания этих форм между собой в F1 появляются растения, плоды у которых треугольной формы, а в F2 наблюдается расщепление в отношении 15:1. Полесский государственный университет 38 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ При тригибридном скрещивании расщепление по таким генам будет 63:1. Такого рода доминантные однозначные гены называют генами некумулятивного действия, а явление подобного взаимодействия – некумулятивной полимерией. В случае некумулятивной полимерии наличие в генотипе разного количества доминантных полимерных генов однозначного действия не изменяет выраженности признака. Достаточно одной доминантной аллели любого из генов, чтобы вызвать развитие признака. Когда изучается наследование того или другого признака (например, черная или белая окраска шерсти у мышей, желтая или зеленая окраска семенной оболочки у гороха и т.д.) и устанавливается моногенное расщепление по одной аллельной паре, то гены называют по определяемым ими признакам лишь условно. На самом деле такое определение гена относится только к одной из замеченных сторон его действия: учитываемый признак является лишь его частным проявлением. В генотипе организмов выделяют гены основного действия, определяющие конкретные признаки и свойства, и гены-модификаторы, которые сами не определяют какие-либо признаки, но влияют на фенотипическое проявление генов другого локуса: усиливают или ослабляют их действие. Гены, усиливающие проявление основных генов, называются интенсификаторами, а гены, ослабляющие их действие, – ингибиторами. Развитие любого признака обусловливается всем генотипом – системой генов, а каждый ген может действовать на развитие многих признаков, или, точнее, на всю систему развивающегося организма. Пример: наследование платиновой окраски меха у чернобурой лисицы. Доминантные гены в гомозиготном состоянии (АА), определяющие платиновую окраску меха, оказываются рецессивными в отношении жизнеспособности особей – летальные. Этот пример свидетельствует о плейотропном (множественном) действии гена. Вероятно, все гены в разной степени имеют плейотропный эффект. Г. Мендель отмечал, что один из изучаемых им генов воздействовал одновременно на окраску цветков (белая или красная), окраску семян (серая или коричневая) и окраску пазух листьев у гороха (наличие или отсутствие малиновых пятен). Примером плейотропного гена у человека служит рецессивный ген (аа), определяющий фенилкетонурию, следствиями которой являются серьезные умственные нарушения. Люди, гомозиготные по этому гену и не лечившиеся, отличаются от нормальных по уровню содержания фенилаланина в крови, по коэффициенту умственного развития, размеру головы и цвету волос, т. е. один и тот же ген оказывает влияние на несколько фенотипических признаков. Понятие об экспрессивности, пенетрантности и норме реакции. Различия в проявлении признаков в зависимости условий среды называется Полесский государственный университет 39 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ пенетрантностью. Это явление подразумевает возможность проявления или не проявления признака у организмов, одинаковых по генотипу. Проявление признака может варьировать. Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих исследуемый признак (во всех возможных вариациях) среди всех особей одинакового генотипа. Степень проявления варьирующего признака называется экспрессивностью. Способность гена (или генов) проявляться в различных условиях среды отражает норму реакции, т.е. способность реагировать на внешние условия среды. Полесский государственный университет 40 Генетика с основами биометрии 3.3 ГЕНЕТИКА ПОЛА ПЛАН 1. Типы определения пола. 2. Наследование признаков, сцепленных с полом. П ол ес ГУ 1. Типы определения пола Пол – это признаки и свойства организма, обеспечивающие воспроизводство потомства и передачу наследственной информации. Существуют признаки, по которым различают организмы разных полов одного вида. Их делят на: первичные; вторичные. Первичные признаки – это физиологические и морфологические особенности организма, указывающие на его половую принадлежность. Вторичные признаки – появляются в период полового созревания и зависят от первичных. Пол определяется на разных фазах цикла размножения. Ч. Дарвин сформулировал закон биологической полезности скрещивания, тем самым объяснив причину возникновения двух полов. Различают три основных типа определения пола: Программный тип (рисунок 1). Пол зиготы определяется при созревании яйцеклеток. Данный тип определения пола наиболее характерен для коловраток (Rotatoria). Самки коловраток обычно откладывают крупные яйца, которые могут развиваться у них без оплодотворения (т.е. партеногенетически). Но при изменении режима питания и условий обитания у этих самок могут появиться дочери, для которых характерна откладка более мелкого яйца. Похожее определение пола было обнаружено и у первичных кольчецов (Archiannelida). Эпигамный тип (рисунок 2) Определение пола наблюдается у разнополых видов с фенотипическим определением пола, когда направленность развития в сторону мужского или женского пола обуславливается влиянием внешних условий, после оплодотворения. Данный тип оплодотворения характерен для бонеллии (Bonellia). Определение пола у бонеллии происходит в процессе онтогенеза: бесполая свободно плавающая личинка бонеллии, при попадании на хоботок самки, под влиянием выделяемых этим органом веществ превращается в самца. Такой тип характерен и для японской ариземы, дающей два типа клубней: крупные – будущие женские, мелкие – будущие мужские растения. Полесский государственный университет 41 ГУ Генетика с основами биометрии П ол ес Рисунок 1 – Прогамный тип определения пола у коловраток (Rotatoria): 1 – взрослая самка; 2 – молодая самка; 3 – самец; 4 – крупные яйца; 5 – мелкие яйца Рисунок 2 – Эпигамный тип определения пола у бонеллии (Bonellia): 1 – самка; 2 – самец Сингамный тип (самый распространенный). Пол определяется в момент оплодотворения и формирования зиготы (млекопитающие, рыбы и др.). Пол определяется генотипически хромосомным набором, полученным от родителей. Клетки мужских и женских особей различают по паре хромосом. Такую пару называют половыми хромосомами. Определение пола у рыб. Кроме генетических факторов, на определение пола у рыб могут влиять также температура и соленость воды, в которой развивается зародыш, соотношение периодов света и темноты. Определение Полесский государственный университет 42 Генетика с основами биометрии пола под влиянием внешних условий называется фенотипическим, или модификационным. Так David O. Conover пишет, что большинство рождающихся ранней весной, при пониженных температурах, атерин (Atlantic silverside) становятся самками. А рыбы, развивающиеся позже при более высокой температуре, вырастают самцами. Это имеет огромное значение для выживаемости данного вида. ГУ Рисунок 3 – Атерин (Atlantic silverside) П ол ес Численность потомства напрямую зависит от плодовитости самок. Так как в данном случае самки растут дольше самцов, они имеют большой размер и соответственно могут дать много икры, поскольку размер их половых органов пропорционален размеру тела, чего не наблюдается у самцов. Варианты генетической детерминации пола. Самцы с одной Х-хромосомой или с двумя разными (XY) хромосомами имеют гетерогаметный пол, самки с ХХ-хромосомами – гомогаметный пол. У многих животных, наоборот, самки имеют гетерогаметный пол. У млекопитающих, нематод, моллюсков, иглокожих и у большинства членистоногих гетерогаметен мужской пол. У насекомых и рыб гетерогаметность наблюдается как у мужского, так и у женского пола. При определении пола у рыб оказалось, что гуппи, пецилия, сфенопс, медака и др. принадлежат к типу ХХ–XY (мужская гетерогаметность). Разные линии мозамбикских тиляпий имеют гетерогаметность самок и самцов. Скрещивание этих линий привело к образованию в потомстве одних самцов. Механизм генетического контроля над развитием половых признаков может быть внутри- и межклеточным. Внутриклеточное определение пола не связано с образованием половых гормонов (например, у насекомых), и действие генов, определяющих пол, ограничено клетками, в которых эти гены функционируют. При этом в одном организме могут нормально развиваться, не влияя друг на друга, участки тела с женскими и мужскими признаками. При межклеточном определении пола, характерном для млекопитающих и птиц, под контролем генов вырабатываются половые гормоны, которые, проникая во все клетки организма, обусловливают фенотипическое развитие признаков соответствующего пола. Механизмы, определяющие пол: хромосомный; Полесский государственный университет 43 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ мультихромосомный; генный; геномный. Хромосомный механизм определения пола был изучен С. Уилсоном. Изучая почвенных клопов, он заметил отличия между самцами и самками. Например, самка почвенного клопа Protenor имеет 14 хромосом, а самец данного вида – 13. Кроме этого изучив вид Ligaeus он отметил, что последняя пара хромосом у самца отличается по размерам и форме. Одну из них он обозначил буквой X, а другую – Y. Сочетание X и Y хромосом в клетке определяет пол – женский (XX), а мужской (XY). Организм, который образует одинаковые гаметы, называется гомогаметным, а разные гаметы – гетерогаметным (рисунок 4). Рисунок 4 – Определение пола у разных организмов Существует 4 типа хромосомного определения пола у животных: XO (♀ XX ♂ XO); ZW (♀ ZW ♂ ZZ); XY (♀ XX ♂ XY); ZO (♀ ZO ♂ ZZ). XY характерен для дрозофил. Пол организма у них зависит от соотношения этих хромосом. У дрозофилы Y – хромосома в определении пола не участвует, а X – хромосома свидетельствует о развитии билатерального Полесский государственный университет 44 Генетика с основами биометрии ГУ гинандроморфизма у мух (рисунок 5). Одна продольная половина тела имеет признаки мужского пола, другая – женского. Правая половина мухи несет одну X-хромосому и имеет признаки самца, а левая половина мухи несет 2X и имеет признаки самки. Также билатеральный гинандроморфизм характерен для бабочек и для птиц (рисунок 6). П ол ес Рисунок 5 – Билатеральный гинандроморфизм у Drosophila melanogaster Рисунок 6 – Билатеральный гинандроморфизм у птиц и бабочек Мультихромосомный механизм определения пола. Данный механизм определения пола характерен для утконосов и пауков. В 2004 г. ученые обнаружили, что в норме у них должно быть 10 половых хромосом, но никак не две (XY). Так комбинация XXXXXXXXXX предназначена для самки, а Полесский государственный университет 45 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ XYXYXYXYXY – для самца. Все половые хромосомы связаны в единый комплекс, поэтому у самцов образуются сперматозоиды, имеющие две цепочки: 1. XXXXX. Если данный сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, то рождаются утконосы только женского пола; 2. YYYYY. Если данный сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, то рождаются утконосы мужского пола. Для пауков не свойственно присутствие Y – хромосомы. Поэтому у видов с четырьмя X – хромосомами самцы имеют четыре разные X – хромосомы, а самки – четыре их пары. Генный механизм определения пола. Для данного механизма характерно определение пола у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Вегетативно почкующиеся клетки, у большинства штаммов, гаплоидны, при половом процессе образуется зигота, которая делится мейозом. Похожие механизмы определения пола действуют у базидиомицетов (у них генов и аллелей, которые отвечают за типы спаривания, больше, и число типов спаривания составляет несколько тысяч). Геномный механизм определения пола. Данный механизм характерен для пчел, клещей, муравьев, коловраток и ос. Самки развиваются из оплодотворенных яйцеклеток и являются диплоидными, а самцы – из неоплодотворенных яйцеклеток и являются первично гаплоидными. Поэтому этот тип определения пола еще называют гаплодиплоидным. Переопределение пола. Один из замечательных примеров полного переопределения пола был получен на аквариумных рыбках в исследовании Т. Ямамото в 1953 г. У многих аквариумных рыбок гетерогаметным полом (XY) является мужской. В опыте участвовали белые и красные медаки (Oryzias latipes), у которых доминантный ген красной окраски R находится в Yхромосоме, а его рецессивная аллель r – в Х-хромосоме. Следовательно, белые самки имеют генотип ХrХr, а красные самцы – ХrYR. В этом случае самцы всегда будут красными, поскольку в Y-хромосоме находится доминантный ген R. При указанном типе наследования сыновья всегда будут нести признак отца, если не произойдет кроссинговера между гомологичными участками Xи Y-хромосомы, что иногда имеет место. Скрещивание ХrХr x ХrYR неизменно давало белых самок и красных самцов (рисунок 7). Выклюнувшиеся мальки, пока у них еще не дифференцировался половой зачаток, были разбиты на две группы, которые содержались до 8 месяцев на двух различных диетах: нормальное кормление, с добавкой женского полового гормона (эстрона или стилбестрола). В результате оказалось, что все красные рыбки во второй группе, генотипически определяемые как самцы XrYR, по фенотипу оказались самками с нормальными яичниками и с женскими вторичными половыми признаками. Полесский государственный университет 46 Генетика с основами биометрии ес ГУ Они были способны скрещиваться с нормальными красными самцами. Рисунок 7 – Фенотипическое переопределение пола у рыб П ол Скрещивание таких самок с нормальными самцами XrYR x XrYR давало расщепление по полу не 1:1, а 1♀(XrYr): 3♂ (XrYR и YRYR). Этот пример ясно демонстрирует: генетическую бисексуальность организмов; возможность изменить дифференцировку пола в онтогенезе; один из путей искусственной регуляции соотношения полов. 2. Наследование признаков, сцепленных с полом. Наследование признаков, сцепленных с полом – особая форма наследования признаков, гены которых расположены в половых хромосомах. Впервые установлена американским ученым Т. Морганом (1911 г.) в опытах с плодовой мушкой дрозофилой. При скрещивании красноглазых самок с белоглазыми самцами в F1 все мухи были красноглазыми, а в F2 произошло расщепление: 3 красноглазые мухи к 1 белоглазой мухе (рисунок 8). Следовательно, «красные глаза» является доминантным признаком, а «белые глаза» – рецессивным. Полесский государственный университет 47 ес ГУ Генетика с основами биометрии Рисунок 8 – Скрещивание красноглазых самок с белоглазыми самцами П ол Крисс-кросс – переход признака от отца к дочери и от матери к сыну (рисунок 9). Результаты эксперимента показали кто из родителей является носителем доминантного признака, следовательно, ген, определяющий окраску глаз у дрозофилы, расположен в X-хромосоме и гомолога в Yхромосоме не имеет. Рисунок 9 – Механизм крисс – кросс наследования признаков у дрозофилы Полесский государственный университет 48 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ В ходе обратного скрещивания, т.е. белоглазых самок с красноглазыми самцами в F1 расщепление 1:1 (одинаковое количество красноглазых самок и белоглазых самцов). В F2 расщепление было такое же, как и в F1, т.е. 1:1 (хотя в предыдущем эксперименте было получено расщепление 3:1). В данном эксперименте самки и самцы получились в одинаковой пропорции (рисунок 10). Рисунок 10 – Скрещивание белоглазых самок с красноглазыми самцами Рузельтаты этих экспериментов стали докозательством важнейшего положения хромосомной теории наследственности: «Хромосомы являются носителями наследственной информации и обеспечивают передачу признаков потомству». Однако существуют признаки, гены которых могут находиться в аутосомах или половых хромосомах обоих полов, но проявляются лишь у одного из них. Такие признаки называют ограниченными полом. К данным признакам относится продуктивность животных, например, молочность и жирность молока у крупного рогатого скота. Быки несут гены, определяющие молочность дочерей, но гены свое действие у быков не проявляют. Петухи также несут гены яйценоскости и размера яиц дочерей, хотя у петухов Полесский государственный университет 49 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ действие этих генов подавлено. С другой стороны, существуют признаки, характер доминирования которых зависит от пола. Такие признаки называются зависимыми от пола. Так, например, у овец развитие рогов определяется доминантным геном – Н, отсутствие рогов – рецессивным геном h. Однако доминирует данный ген только у самцов, у самок он является рецессивным. Поэтому гетерозиготные (Hh) самцы оказываются рогатыми, а гетерозиготные самки – безрогими. Лишь в гомозиготном состоянии доминантный ген рогатости (НН) и его рецессивная аллель (безрогость – hh) проявятся у особей обоих полов одинаково. Проявление зависимых от пола признаков определяется соотношением количества мужского и женского полового гормона в крови, женский половой гормон в данном случае препятствует проявлению доминантного гена, а мужской гормон – способствует. Гены, определяющие вторичные половые признаки животных и человека, имеются как у мужчин, так и у женщин, но их проявление так же контролируется гормонами. Как отмечалось ранее, при скрещивании белоглазой самки дрозофилы с красноглазым самцом в F1 все дочери имеют красные глаза, а у всех сыновей, получающих свою единственную Х-хромосому от матери, глаза белые. Однако иногда в таком скрещивании проявляются единичные красноглазые самцы и белоглазые самки, так называемые исключительные мухи с частотой 0,1-0,001%. Д. Бриджес предположил, что появление таких «исключительных особей» объясняется тем, что у их матери во время мейоза обе Х-хромосомы попали в одно яйцо, т.е. произошло нерасхождение Х-хромосом. Каждое из таких яиц может быть оплодотворено либо спермием с Х-хромосомой, либо Y-хромосомой. В результате может образоваться 4 типа зигот: c тремя Ххромосомами – ХХХ, c двумя материнскими Х-хромосомами и Y-хромосомой ХХY, c одной отцовской Х-хромосомой, без Х-хромосомы, но с Y – хромосомой. ХХY являются нормальными плодовитыми самками. ХО-самцы, но стерильны. Это показывает, что у дрозофилы Y-хромосома не содержит генов, определяющих пол. При скрещивании ХХY самок с нормальными красноглазыми самцами (XY) Д. Бриджес обнаружил среди потомства 4% белоглазых самок и 4% красноглазых самцов. Остальная часть потомства состояла из красноглазых самок и белоглазых самцов (таблица 1). Появление подобных исключительных особей объясняется вторичным нерасхождением Х-хромосом в мейозе, потому что самки, взятые в скрещивании (XXY), возникли вследствие первичного нерасхождения хромосом. Вторичное нерасхождение хромосом у таких самок в мейозе наблюдается в 100 раз чаще, чем первичное. Полесский государственный университет 50 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Таблица 1 – Наследование признака при вторичном нерасхождении половых хромосом у дрозофилы Гаметы самца XY X Y W – XX XY Ww w X красные глаза, белые глаза, w самки самцы (норма) (норма) XXY XYY XY Ww w w красные глаза, белые глаза, самки самцы Гаметы самки XXX XXY XXY XX Www ww ww красные глаза, белые глаза, суперсамки «исключительные (погибают) самки» XY YY Y W – – красные глаза, (погибают) «исключительные самцы» Характер наследования сцепленных с полом признаков, описанный для дрозофилы, меняется на противоположный, когда гетерогаметным полом являются женский. Например, у птиц, бабочек и некоторых рыб именно самки гемизиготны по сцепленным с полом признакам, и они передают гены, определяющие такие признаки, только своим сыновьям, тогда как самцы передают соответствующие гены как сыновьям, так и дочерям (рисунок 11 и 12). Ген рябой окраски (В) доминантен по отношению к гладкой окраске (b). У кур самки гетерогаметны, следовательно, куры передают Х-хромосому только сыновьям, а дочери получают Х-хромосому от отца. В результате дочери имеют рецессивный фенотип, унаследованный от отца, а сыновья – доминантный фенотип матери. Полесский государственный университет 51 ГУ Генетика с основами биометрии П ол ес Рисунок 11 – Сцепленное с полом наследование у кур; скрещивание рябой курицы с гладким петухом Рисунок 12 – Сцепленное с полом наследование у кур: скрещивание гладкой курицы с рябым петухом Все сыновья и дочери наследуют доминантный фенотип отца. Полесский государственный университет 52 Генетика с основами биометрии 3.4 СЦЕПЛЕНИЕ ГЕНОВ И КРОССИНГОВЕР ПЛАН 1. Генетическое доказательство сцепленного наследования. 2. Кроссинговер. Типы кроссинговера. Факторы, влияющие кроссинговер. 3. Генетические карты хромосом. Трехфакторное скрещивание. 4. Понятие об интерференции и коинцинденции. на П ол ес ГУ 1.Генетическое доказательство сцепленного наследования Хромосомная теория наследственности – теория, согласно которой передача наследственной информации в ряду поколений связана с передачей хромосом, в которых в определѐнной и линейной последовательности расположены гены. Эта теория сформулирована в начале XX века. Основной вклад в ее создание внесли американский цитолог У. Сеттон, немецкий эмбриолог Т. Бовери и американский генетик Т. Морган со своими сотрудниками К. Бриджесом, А. Стертевантом и Г. Меллером. В 1902-1903 гг. У. Сеттон и Т. Бовери независимо друг от друга выявили параллелизм в поведении менделевских факторов наследственности (генов) и хромосом. Эти наблюдения позволили предположить, что гены расположены в хромосомах. Экспериментальное доказательство локализации генов в хромосомах было получено позднее Т. Морганом и его сотрудниками, которые работали с плодовой мушкой Drosophila melanogaster. Начиная с 1911 г. эта группа опытным путем доказала, что гены располагаются в хромосомах линейно. Что находящиеся на одной хромосоме гены наследуются сцепленно. Что сцепленное наследование может нарушаться за счет кроссинговера. Т. Морган в Колумбийском университете начал использовать для генетических экспериментов плодовую мушку Drosophila melanogaster. Многочисленные мутации, проявившиеся при лабораторном разведении дрозофилы, позволили в первую очередь обнаружить гены, наследовавшиеся «сцепленно». Первой описанной мутацией стала мутация w (white – белый), которая обуславливала белый цвет глаз у мушки дрозофилы (рисунок 1). Публикация об этой мутации появилась в 1910 г. В ней Морган указывает, что характер наследования мутации w совпадает с наследованием хромосом, определяющих пол у дрозофилы. Вскоре были описаны еще две сцепленных с полом мутации, и при изучении их совместного наследования Морган пришел к заключению, что гены должны быть организованы на хромосоме линейно, и их сцепленное наследование может нарушаться из-за кроссинговера. Полесский государственный университет 53 ГУ Генетика с основами биометрии ес Рисунок 1 – Сцепленное с полом наследование мутации белых глаз w y Drosophila melanogaster П ол В 1913 г. Альфред Стертевант, ученик Моргана, располагает шесть сцепленных с полом генов на первой генетической карте в порядке, соответствующем тому, насколько часто мутации этих генов наследуются совместно. Одно из самых элегантных доказательств связи между генами и хромосомами получил другой ученик Моргана, Кэлвин Бриджес – соотнес редкие случаи исключений при наследовании мутаций, сцепленных с полом, с неправильным расхождением Х-хромосом при мейозе у самок дрозофилы. Он описал самок дрозофилы c аномальным кариотипом XXY вместо нормального XX, при этом по сцепленным с полом признакам они являлись полными копиями своих матерей, что говорило о том, что обе Х-хромосомы были унаследованы от матери (рисунок 2). Все эксперименты по скрещиванию были подкреплены цитологическими наблюдениями. Рисунок 2 – Самка и самец дрозофилы Полесский государственный университет 54 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Т. Морган в дальнейшем приступил к экспериментам по изучению сцепления генов (рисунок 3). Скрещивая дрозофил с серым тельцем (b+) и нормальными крыльями (vg+) и имеющих темную окраску тела (b) и зачаточные крылья (vg). В первом поколении были получены гибриды, имеющие серое тело и нормальные крылья, они все были гетерозиготами (vg+ vg b+ b). Рисунок 3 – Схема получения потомства F1 в опытах Т. Моргана (доминантные аллели vg+ и b обозначены буквами А и В, а рецессивные vg и b – a и b соответственно) Далее Т. Морган для получения потомства второго поколения провел два анализирующих скрещивания, которые позволили определить, сколько и какие типы гамет образует гетерозигота в ходе мейоза. Первое скрещивание с гетерозиготным самцом, а второе с гетерозиготной самкой. В результате скрещивания было получено два класса потомства родительских типов (Aa и aabb). Отсюда следует, что у самца в ходе мейоза образуется только два типа гамет – AB и ab (вместо четырех возможных (АВ, Аb, aB, ab)). Проанализировав результаты скрещивания Т. Морган, пришел к следующему: гены А и В (и, соответственно, а и b) ведут себя как абсолютно слепленные между собой. Следуя из этого Т. Морган, сделал вывод, что гены, обуславливающие развитие серой окраски тела и длинных крыльев, локализованных в одной из гомологичных хромосом, а гены, обуславливающие развитие черной окраски тела и зачаточных крыльев в другой. Такое явление совместного наследования признаков Т. Морган назвал Полесский государственный университет 55 Генетика с основами биометрии ес ГУ сцеплением. Хромосома является материальной основой сцепления генов. Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно и образуют одну группу сцепления. Основные положения хромосомной теории наследственности: гены находятся в хромосомах; гены расположены в хромосоме в линейной последовательности; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален; аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах; гены одной хромосомы образуют группу сцепления, то есть наследуются преимущественно сцепленно (совместно), благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида; сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами); каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом – кариотипом. П ол 2. Кроссинговер. Типы кроссинговера. Факторы, влияющие на кроссинговер Важнейшей заслугой Т. Моргана явилось то, что он первым связал перекомбинацию генов находящихся на хромосоме генов с физическим обменом участками гомологичных хромосом – кроссинговером. Кроссинговер – это обмен гомологичными участками между гомологичными хромосомами (хроматидами) в ходе профазы I мейоза. Для обозначения частоты кроссинговера была предложена мерная единица – морганида (в честь Т. Моргана), равная 1% кроссинговера (в современном обозначении – это 1см). Т. Морган допускал, что в кроссинговере могут одновременно участвовать несколько хроматид, в зависимости от этого обмены бывают двух-, трех- и четыреххроматидные (рисунок 4). Участие в кроссинговере той или иной хроматиды из пары гомологических хромосом является случайным. Полесский государственный университет 56 ГУ Генетика с основами биометрии Рисунок 4 – Типы хроматидных обменов П ол ес Перекресты между хроматидами гомологических хромосом может происходить одновременно в нескольких точках (рисунок 5). Кроссинговер бывает одиночным, двойным, тройным и множественным. В зависимости от того в скольких местах он происходит. Рисунок 5 – Типы кроссинговера Неравный кроссинговер – кроссинговер, в результате которого образуются сестринские кроссоверные хроматиды, различающиеся по количеству заключенного в них генетического материала. При неравном кроссинговере наблюдается разрывы в несимметричных точках, и хроматиды обмениватся неравными участками (рисунок 6). Впервые это явление было изучено А. Стертевантом в 1925 г. на примере гена Bar (В – полосковидные глаза), локализованного в Х-хромосоме D. melanogaster. Полесский государственный университет 57 Генетика с основами биометрии ГУ Рисунок 6 – Схема кроссинговера: А – норма; В – неравный кроссинговер с образованием хромосом с дупликацией и делецией соответственно П ол ес Неравный кроссинговер связан с дупликацией какого-либо участка в одном из гомологов и с утратой его в другом гомологе. Обнаружено, что ген В может присутствовать в виде тандемных, т.е. следующих друг за другом, повторов, состоящих из двух и даже трех копий. Цитологический анализ подтвердил предположение о том, что неравный кроссинговер может вести к тандемным дупликациям. В области, соответствующей локализации гена В, на препаратах политенных хромосом отмечено увеличение числа дисков, пропорциональное дозе гена. Предполагается, что в эволюции неравный кроссинговер стимулирует создание тандемных дупликаций различных последовательностей и использование их в качестве сырого генетического материала для формирования новых генов и новых регуляционных систем. В редких случаях кроссинговер может происходить в ходе обычного митотического цикла в соматических клетках. В связи с этим он получил название митотического (соматического) кроссинговера. Митотический кроссинговер – редкое явление, которое отрыто К. Штерном в 1936 г. при исследовании самок дрозофил, гетерозиготных по рецессивным мутациям двух локусов Х-хромосомы – y (yellow) – желтое тело и sn (singed) опаленные щетинки (рисунок 7). Одна Х-хромосома несла в двух локусах аллели y sn+, а другая – у+ sn. Такие гетерозиготные мухи должны быть серого цвета и иметь нормальные щетинки. Однако, К. Штерн обнаружил на теле дрозофил одновременно по два рядом расположенных участка, один из которых имел желтую окраску (y) и нормальные щетинки (sn+), а другой – серую окраску (у+) и опаленные щетинки (sn). Полесский государственный университет 58 ГУ Генетика с основами биометрии Рисунок 7 – Схема митотического кроссинговера: а – без кроссинговера; б – с кроссинговером П ол ес Митотический кроссинговер, возникнувший у человека, может приводить к появлению клеток, экспрессирующих рецессивные проонкогенные мутации, предрасполагая к развитию рака. С другой стороны, клетка может стать и гомозиготным мутантом по гену-супрессору опухолевого роста, что приведет к тому же самому результату Примером митотического кроссинговера является возникновение онкологического заболевания глаз у человека (рисунок 8) – в детском возрасте в результате мутации или кроссинговера в одном из ретинобластов (клеток эмбриональной ткани, которые в последствии образуют ретину – сетчатку глаза). Рисунок 8 – Заболевание глаза – ретинобластома Частота красинговера зависит от множества факторов как генетической так и негенетической природы: гомо- и гетерогаметный пол. Это отмечено у мышей и кур. Так, например, у мышей частота кроссинговера снижена у самцов, а у кур – у самок. У дрозофилы и тутового шелкопряда, наоборот, кроссинговер имеет место только у гомогамного пола, а у гетерогамного (самцов дрозофилы и Полесский государственный университет 59 Генетика с основами биометрии ес ГУ самок тутового шелкопряда) мейотический кроссинговер отсутствует как в половых хромосомах, так и в аутосомных; структура хромосом. Снижают частоту хромосомные перестройки, вставки, выпадения участков, т.е все то, что снижает гомологию хромосом; функциональное состояние организма. По мере увеличения возраста меняется степень спирализации хромосом и скорость клеточного деления; состояние спирализации хромосом. Усиление спирализации сокращает расстояние между генами и увеличивает силу сцепления между ними; экзогенные факторы: воздействие температуры, ионизирующей радиации и концентрированных растворов солей, химические мутагены, лекарства и гормоны обычно повышают частоту кроссинговера. Биологическое значение кроссинговера чрезвычайно велико, поскольку генетическая рекомбинация позволяет создавать новые, ранее не существовавшие комбинации генов и тем самым повышать наследственную изменчивость, которая дает широкие возможности адаптации организма в различных условиях среды. П ол 3. Генетические карты хромосом. Трехфакторное скрещивание В результате последовательного изучения взаиморасположения генов по величине перекреста между ними для каждой пары гомологичных хромосом составляют генетические карты хромосом. Генетические карты – схемы, взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. В настоящее время генетические карты составлены для дрозофилы, кукурузы, помидоров и некоторых других видов организмов. Наличие генетической карты свидетельствует о высокой степени изученности данного организма. Молодой сотрудник Т. Моргана А. Стертевант, рассудил, что если частота кроссинговера между генами низкая, то их можно разместить на генетической карте близко друг от друга, а если высокая – далеко друг от друга. Был взят за точку отсчета ген y (yellow) – желтое тело. Он изучал частоту кроссинговера между этим геном и другими генами: w(white) – белые глаза, v (vermilion) – киноварный цвет глаз, m(miniature) – миниатюрные крылья, r (rudimentary) – рудиментарные крылья. А. Сергевант предложил проводить дигибридное анализирующее скрещивание, где самка является дигетерозиготной по анализируемым признакам, а самец – рецессивной гомозиготой. В скрещивании YyWw yyww было получено 4 класса потомства (2 кроссоверных и 2 некроссоверных) в следующем количественном соотношении: Полесский государственный университет 60 Генетика с основами биометрии YyWw YyWw Yyww yyww Сумма 10868 107 107 10868 21736 П ол ес ГУ После чего была определена частота появления кроссоверного потомства: 107+107=214 и рассчитана частота кроссинговера между генами y и w: 214/21736=0,010. На основе этих данных была построена первая генетическая карта. Так как частота кроссинговера между генами y и w была наименьшей и равнялась 0,01, следовательно, эти гены необходимо расположить на расстоянии 1 сМ; если частота кроссинговера между следующими парами генов w и v равна 0,297, а между y и v – 0,307, следовательно, ген w и v должны располагаться на расстоянии 29,7 сМ, а y и v на расстоянии 30,7 см в следующей последовательности y – w – v. Изучив расстояние между генами, А. Стертевант сделал вывод: гены на хромосоме располагаются в линейной последовательности. Чтобы отобразить расстояние между генами на генетической карте А. Стертевант пользовался «правилом аддитивности генетических расстояний между генами». Для составления генетических карт необходимо выявление многих мутантных генов и проведение огромного числа скрещиваний, что возможно только в результате многолетней работы многих коллективов генетиков. Наиболее подробные генетические карты составлены для дрозофилы, у которой изучено более 500 мутантных генов, а также для кукурузы, имеющей в 10 группах сцепления свыше 400 генов. На генетических картах хромосом дрозофилы и кукурузы расстояние многих генов от нулевой точки определено величиной 70 и более единиц. У дрозофилы, например, во второй хромосоме ген ballon расположен от нее на расстоянии 107,5 единицы, а у кукурузы расстояние некоторых генов от нулевой точки превышает даже 150 единиц. Между тем частота кроссинговера между двумя генами не может быть больше 50%, так как перекрещивающиеся сестринские хроматиды и гаметы, образуемые дигетерозиготой. При этой величине кроссинговера генетически обнаруживаются как следствие независимого наследования при отсутствии сцепления. Такое несоответствие объясняется тем, что при нанесении гена на карту хромосомы частоту кроссинговера определяют на сравнительно коротких участках, последовательно взятых по длине хромосомы. Общая же длина хромосомы на карте устанавливается путем сложения процента перекреста между соседними генами. В связи с этим общая длина хромосомы на генетической карте может значительно превышать величину 50 единиц. При рассмотрении генетических карт обращает на себя внимание неравномерное распределение генов по длине хромосомы. На одних участках гены располагаются чаще, чем на других, а некоторые участки хромосом Полесский государственный университет 61 Генетика с основами биометрии П ол ес P: ♀ ABC // abc × ♂ abc // abc G♀ : G♂ : abc Родительский (2) Fa: ABC 38,25 AaBbCc 76.5% Abc 38.25 aabbcc рекомбинатный (2п-2) кросс. класс (X) Abc 4,25 Aabbcc aBC 4,25 8,5% aabbcc кросс. класс (Y) ABc 6.75 AaBbcc abC 6,75 13,5% aabbCc Дв. кросс. класс (Z) AbC 0,75 AabbCc aBc 0,75 1,5% aaBbcc ∑ = 100% ГУ вообще генетически неактивны. Одним из основных методов построения генетических карт является трехфакторное скрещивание, которое позволяет определить: 1. Принадлежность изучаемых генов к группе сцепления (одной или разным). 2. Относительное расстояние между генами и их взаимное расположение на хромосоме. Трехфакторное скрещивание – метод генного картирования с использованием варианта трансформации, при котором донор несет два аллея дикого типа и один мутантный, а реципиент – два мутантных и один дикий; при этом частота котрансформации оказывается пропорциональной расстоянию между селектируемым и неселектируемым маркерами. Это скрещивание, в котором родительские формы различаются по одной паре альтернативных признаков, контролируемых аллеями одного гена: Для определения расстояния между генами, необходимо определить частоту рекомбинации на участках АВ, ВС и АС (рисунок 9). Полесский государственный университет 62 Генетика с основами биометрии Рисунок 9 – Генетическая карта участка a-b-c построенная по результатам трехфакторного скрещивания ГУ Между генами А и В частота рекомбинации определяется как доля кроссоверных гамет (гамет Ab_ и aB_ типа), возникающих в результате кроссинговера на участке АВ и двойного кроссинговера: rfAB= ес Аналогично определяется расстояние между генами В и С (как доля кроссоверных гамет _Вс и _bC типа): rfBC= П ол Расстояние между крайними генами А и С определяется как доля кроссоверных гамет А_c и a_C типа, возникающих в результате одиночных обменов на участках АВ и ВС: rfAC= Исходя из правила аддетивности, расстояние между крайними генами А и С, должно равняться сумме Расстояний между генами А – В и В – С: rfAC=rfAB + rfBC Однако это правило справедливо только в том случае, когда расстояние между крайними генами не превышает 10-15 смМ. rfAC=rfAB+rfBC Если расстояние между крайними генами больше 15 см, то это обусловлено двумя факторами: 1. Множественным кроссинговером, протекающим между крайними генами. Полесский государственный университет 63 Генетика с основами биометрии 2. Низкой разрешающей гибридологического анализа. способностью классического rfAC= ГУ Истинное расстояние между генами А и С равно сумме частот rfAB и rfBC или (=) сумме определений по числу образования гамет, возникающих в результате одиночного кроссинговера на участке АС, и удвоенного числа образования двойных кроссоверных гамет. Если же расстояние между крайними генами составляет менее 15 сМ, то в анализирующем скрещивании реально не обнаруживается класса двойных кроссоверных гамет. П ол ес 4. Понятие об интерференции и коинциденции Практический (или наблюдаемый) двойной кроссинговер можно определить по результатам трехфакторного анализирующего скрещивания как долю двойных кроссоверных гамет. При этом практический двойной кроссинговер происходит, как правило, с меньшей частотой, чем теоретически ожидаемый двойной кроссинговер (определяется как произведение частот одиночных кроссинговеров). Это противоречие возникает в силу положительной интерференции – явления, при котором кроссинговер, происходящий на одном участке, препятствует одновременному прохождению кроссинговера на соседнем участке. Значение интерференции определяется по формуле: I=1 C, где: С – коэффициент коинциденции (или коэффициент совпадения). По мере уменьшения двух расстояний, разделяющих три гена, интерференция увеличивается. Величина интерференции измеряется с помощью коэффициента коинциденции т.е. совпадения. Содержание понятия «коинциденция» противоположно содержанию понятия «интерференция». Коэффициент коинциденции определяется как частное от деления фактически полученной величины двойных кроссоверов на их ожидаемое число. С= Например, если частота кроссинговера между генами Y и W – 1,5%, между W и M 32,5%, а частота двойных кроссинговеров равна 0,04%, то коэффициент коинциденции будет составлять: Полесский государственный университет 64 Генетика с основами биометрии С= =0,00353 П ол ес ГУ Коэффициент коинциденции (С) – отношение наблюдаемого числа кроссинговера (двойного перекреста) к теоретически ожидаемому, измеряется в долях или процентах. С=0 – интерференции нет, фактическая и ожидаемая частоты совпали (нет влияния одного кроссинговера на другой). C>1 – интерференция отрицательная и один кроссинговер стимулирует другой. C<1 – интерференция положительная и один кроссинговер тормозит другой. У дрозофилы на коротких участках хромосом, которые равны или меньше 10 единиц кроссинговера, двойные кроссоверы вообще не происходят. На участках, отстоящих друг от друга более чем на 40 единиц перекреста, двойные перекресты происходят уже по правилам свободных сочетаний друг с другом. Здесь С = 1, ибо имеется полное совпадение фактического числа двойных кроссоверов с их ожидаемым числом. Причины интерференции неизвестны. Считалось, что это связано с упругостью хромосом. Сейчас выделяют другую причину – конкуренцию за фермент. Полесский государственный университет 65 Генетика с основами биометрии 3.5 РЕКОМБИНАЦИЯ У БАКТЕРИЙ И ВИРУСОВ ПЛАН 1. Микроорганизмы как объект генетических исследований. 2. Организация генетического аппарата у бактерий и вирусов 3. Трансформация. 4. Трансдукция. Использование бактериофагов для картирования хромосомы бактерий. 5. Конъюгация бактерий. П ол ес ГУ 1. Микроорганизмы как объект генетических исследований Микроорганизмы, используемые в качестве модельных генетических объектов, отличаются относительной простотой их организации. Большинство используемых в генетических экспериментах микроорганизмов являются одноклеточными. Структурная организация вирусов и фагов еще проще – лишены клеточной организации. Простота организации как-бы сокращает путь от гена до проявления, контролируемого этим геном признака. Таким образом, фенотипическое проявление многих генов оказалось возможным изучать на биохимическом уровне по проявлению активности отдельных ферментов. Микроорганизмы быстро размножаются и их легко культивировать в лабораторных условиях на искусственных питательных средах. На плотной питательной среде можно получить от одной исходной клетки колонию генотипически однородных клеток, а затем размножить их до большого количества, что необходимо для биохимического и молекулярного анализа. У микроорганизмов достаточно легко получать самые разнообразные мутации. Гаплоидность многих микроорганизмов обеспечивает проявление рецессивных мутаций, которые у диплоидных организмов могут быть «замаскированы» присутствием нормальной аллели. В генетических экспериментах на микроорганизмах широко используются ауксотрофные мутации. Клетки большинства микроорганизмов способны синтезировать необходимые им для нормальной жизнедеятельности аминокислоты, азотистые основания, витамины из неорганических соединений в присутствии источника энергии (чаще всего глюкозы). Такие клетки называют прототрофными, или клетками дикого типа. Штаммы дикого типа можно выращивать на минимальной питательной среде с относительно простым составом. Такая среда содержит набор неорганических соединений в определенной комбинации и источник энергии в виде углевода. Клетка, утратившая в результате мутации способность к биосинтезу того или иного соединения, называется ауксотрофной. Клетки ауксотрофных штаммов, в отличие от клеток дикого типа, не Полесский государственный университет 66 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ способны расти на минимальной питательной среде. Однако если в минимальную среду добавить вещество, синтез которого утрачен в результате мутации, способность мутантных клеток к росту восстанавливается. Минимальная среда с необходимыми для роста ауксотрофов питательными добавками получила название селективной среды. Селективные среды позволяют отбирать определенный класс мутантов. Значительно ускоряет работу по генетической идентификации отдельных колоний метод «отпечатков» колоний, предложенный Д. Ледербергом. С помощью этого метода можно за один прием переносить на чашки Петри с разными селективными средами до сотни отдельных колоний. На рисунке 1 изображено приспособление для переноса отпечатков колоний, иллюстрирующее сущность этого метода. Рисунок 1 – Бархатный штамп для снятия отпечатков колоний с чашек Петри: 1– агаризованная среда с исходными колониями на поверхности; 2 – бархат; 3 – чашка Петри; 4 – ободок; 5 – цилиндр Селективные среды с успехом применяются при проведении генетического анализа. Они позволяют полностью исключить рост родительских штаммов и отбирать только рекомбинантные клетки, даже если рекомбинация между маркерами происходит с низкой частотой. Использование селективных сред позволяет выделить одну рекомбинантную клетку среди 107–108 родительских клеток. Высокая чувствительность этого метода позволила повысить разрешающую способность генетического анализа и проводить тонкое генетическое картирование, т.е. определять местоположение мутантных сайтов внутри гена. Полесский государственный университет 67 Генетика с основами биометрии 2. Организация генетического аппарата у бактерий и вирусов Организация генетического аппарата у бактерий. Генетический аппарат бактерий представлен бактериальной хромосомой, внехромосомными факторами наследственности – плазмидами, а также входящими в их состав мобильными генетическими элементами (рисунок 2). Генетический аппарат бактерий гены функциональные «домашнего хозяйства» ‒ гены метаболизма ‒ гены клеточных структур вспомогательные функции: ‒ гены вирулентности ‒ гены резистентности ‒ гены биодеградации П ол ес структурные Мобильные генетические элементы ‒ транспозоны ‒ IS элементы ‒ интегроны Плазмиды ГУ Бактериальная хромосома ‒ репликативные и нерепликативные ‒интегративные и неинтегративные ‒ большие и средние космиды ‒ фертильности ‒ резистентности ‒ колициногении ‒ токсигенности ‒ биодеградации ‒ крипические Рисунок 2 – Устройство генетического аппарата бактерий Жизненно важная генетическая информация бактерий сосредоточена в цитоплазме в единственной хромосоме, что позволяет отнести бактерии к гаплоидным организмам. Возможны некоторые исключения, например, Vibrio cholerae содержит две кольцевидные хромосомы. ДНК в хромосоме суперспирализована. Ее размер в раскрученном состоянии может достигать 1 мм. ДНК состоит из двух комплементарных друг другу цепочек: напротив, аденина находится тимин, а напротив гуанина – цитозин. Цепи антипараллельны и располагаются во взаимно противоположных направлениях: одна в ориентации 5' 3', другая – 3' 5'. На 5' конце ДНК находится фосфатная группа, прикрепленная к 5-ому углеродному атому дезоксирибозы. 3' конец оканчивается ОН-группой, присоединяющейся к 3-ему углеродному атому дезоксирибозы. Полесский государственный университет 68 Генетика с основами биометрии В геноме разных видов бактерий содержание нуклеотидов варьирует от 5,8×105 до 13×106 п.о., что соответствует приблизительно 103 генов (1 ген на 1000 п.о.) (таблица 1). Это в 100 раз больше, чем у вирусов, и в 1000 раз меньше, чем в среднем у эукариот. 5,1 5,311 35,4 Bacillus subtilis 4,2 4,112 43,5 Bacteroides thetaiotaomicron 6,26 4,778 42,8 Bifidobacterium longum 2,26 1,729 60,1 Borrelia burgdorferi 0,9 1,638 28,2 Brucella melitensis 3,3 3,198 57,2 Brucella suis 3,28 3,264 57,3 Campylobacter jejuni 1,64 1,634 30,5 1,05 895 41,3 Chlamydophila pneumoniae AR39 1,23 1,112 40,6 Clostridium perfringens 3,1 2,723 28,5 2,8 2,373 28,7 Enterococcus faecalis 3,35 3,113 37,5 Escherichia coli K12 4,6 4,279 50,8 Escherichia coli 0157:H 5,5 5,361 50,5 Fusobacterium nucleatum 2,17 2,067 27,2 Haemophilus influenzae 1,83 1,714 38,2 Helicobacter pylori 26695 1,66 1,576 38,9 Heiicobacter pylori J99 1,64 1,491 39,2 Lactobacillus plantarum 3,31 3,009 44,5 Leptospira interrogans 4,69 4,727 35,0 Listeria innocua 3,01 3,043 37,4 Listeria monocyfogenes 2,94 2,846 38,0 Mycobacterium tuberculosis H37Rv 4,40 3,989 65,0 Mycoplasma genitalium G-37 0,58 0,477 31,0 Mycoplasma pneumoniae M129 0,81 0,689 40,0 Neisseria meningitidis A Z2491 2,18 2,065 51,0 Pseudomonas aeruginosa 2192 6,83 6,157 66,0 Rickettsia prowazekii Madrid E 1,10 0,835 29,0 Clostridium tetani ес Chlamydia trachomatis ГУ Bacillus anthracis П ол Таблица 1 – Размер геномов медицински значимых микроорганизмов Размер Количество Содержание Виды микроорганизмов генома, 3 ORFs, 10 G + С (%) п.о. 106 Полесский государственный университет 69 Генетика с основами биометрии Staphylococcus aureus NCTC 2,82 2,89 32,0 Streptococcus pyogenes M1 1,85 1,697 38,0 Treponema pallidum Nichols 1,14 1,036 52,0 Vibrio cholerae N16961 - 1хромосома 2 хромосома 2,96 1,07 2,742 1,093 47,0 46,0 П ол ес ГУ Несмотря на весьма значительную разницу в сложности организации фенотипа прокариот и эукариотических организмов, различие в количестве генов не велико. Многоклеточные организмы, чей геном всего лишь в 5-10 раз больше микроорганизмов, имеют более сложные регуляторные системы, которые могут контролировать одновременную экспрессию большого числа различных групп генов. Как правило, микроорганизмы, обитающие во внешней среде, имеют больший размер генома, чем патогены человека и животных, что связано с адаптацией патогенов к одной экологической нише – организму человека. Расшифровка последовательности нуклеотидов в геноме большинства патогенов позволяет использовать первичную структуру ДНК для оценки родства различных видов микроорганизмов. Как правило, бактерии одного рода и семейства проявляют сходство 70-80% генетической информации, и только 20-30% объема генома приходится на уникальную для вида или варианта генетическую информацию. Классификация генов. Основной единицей наследственности, ответственной за формирование какого-либо элементарного признака, является ген, совокупность которых формирует генотип. Гены подразделяются на: структурные; функциональные. Структурные гены детерминируют первичную структуру белков бактерий и могут быть классифицированы на две большие группы: 1. Гены «домашнего хозяйства»: а) Гены, отвечающие за биохимческие процессы в клетке (метаболизм аминокислот, углеводов, энергии, липидов, кофакторов и витаминов, сложных углеводов и липидов, нуклеотидов); б) Гены, отвечающие за биологические процессы клетки (подвижность клеток, обработку информации из внешней среды, транспорт веществ через мембраны, сигнальную трансдукцию, обработку генетической информации, репликацию и репарацию, развитие и деградацию, транскрипцию, трансляцию). 2. Гены вспомогательных функций: а) Вирулентности; б) Устойчивости к антибиотикам; в) Деградации редких субстратов (углеводородов нефти, пластфикаторов, хлорфенолов и т.д.). Генетические признаки микроорганизмов могут кодироваться не только Полесский государственный университет 70 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ бактериальной хромосомой, но плазмидами. Плазмиды – это внехромосомные факторы наследственности, представляющие собой небольшие кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК, которые располагаются в цитоплазме и способны к автономной репликации. В плазмидах закодирована информация необходимая для репликации плазмид в бактериях, а также информация о дополнительных признаках, сообщающих бактериям преимущества в тех или иных условиях обитания и в стрессовых ситуациях. В одной клетке может быть несколько плазмид, совокупность которых называют плазмотипом. Например, Borrelia burgdorferi B31 содержит 17 плазмид общим размером сравнимым с геномным – 0,53×106 п.о. (против 0,91×106 п.о. в геноме). Плазмиды могут интегрировать в бактериальную хромосому, тогда их называют эписомами. Репликация плазмид начинается со связывания с итероном (место старта репликации) инициирующего репликацию белка. Плазмиды классифицируют на несколько групп в зависимости от: 1. Размера: большие, средние, малые (космиды). 2. Способности вызывать конъюгацию бактерий: конъюгативные, которые имеют относительно большие размеры и содержат информацию, необходимую для автономной репликации и переноса ДНК реципиенту; неконъюгативные, которые не способны запускать конъюгацию, но способные передаваться реципиенту при наличии в клетке конъюгативных плазмид. 3. Способности к репликации в одной клетке: совместимые и несовместимые. 4. Кодируемого фенотипического эффекта: фертильности – F плазмиды; бактериоциногении – Сol-плазмиды (ColE1, ColE2); резистентности – Rплазмиды, обуславливающие устойчивость или множественную устойчивость к антибиотикам, солям тяжелых металлов, УФ излучению; вирулентности – пплазмиды LT2, K88, кодируют продукцию энтеротоксинов, фимбрий; биодеградации – D-плазмиды, обеспечивающие расщепление сложных субстратов (углеводородов нефти и т.д.); криптические (фенотипический эффект не установлен). R-плазмиды состоят из двух участков: 1. Фактора переноса устойчивости, или RTF, содержащего гены репликации и переноса в клетку реципиента. 2. R-детерминанты, содержащей гены или транспозоны резистентности. Плазмиды участвуют в генетических перестройках, обеспечивают горизонтальный перенос генов, используют в качестве векторов в генной инженерии. Организация генетического аппарата у вирусов. Генетический аппарат вирусов несет информацию о нескольких типах белков, которые необходимы для образования нового вируса: ген, кодирующий обратную транскриптазу и другие. Генетический материал вируса может быть представлен либо ДНК, либо Полесский государственный университет 71 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ РНК, соответственно, вирусы подразделяют на ДНК-содержащие и РНКсодержащие. Подавляющее большинство вирусов являются РНКсодержащими. Вирусы растений чаще всего содержат одноцепочечную РНК, а бактериофаги, как правило, обладают двухцепочечными ДНК. Вирусный геном может быть кольцевым, как у полиомавирусов, или линейным, как у аденовирусов. Форма генома не зависит от типа нуклеиновой кислоты. У многих РНК-содержащих вирусов и некоторых ДНК-содержащих вирусов геном часто представлен несколькими молекулами (частями), в связи с чем он называется сегментированным. У РНК-содержащих вирусов каждый сегмент часто кодирует только один белок, и обычно эти сегменты упаковываются в один капсид. Вирусные геномы независимо от типа нуклеиновый кислоты практически всегда бывают либо одноцепочечным, либо двухцепочечным. Второй включает пару комплементарных цепей нуклеиновой кислоты, а первый – только одну цепь. Геном вирусов некоторых семейств (например, Hepadnaviridae) частично одноцепочечный и частично двуцепочечный. Для большинства РНК-содержащих вирусов и некоторых вирусов с одноцепочечной ДНК определяют полярность нуклеиновой кислоты в зависимости от того, комплементарна ли она вирусной мРНК. Молекула РНК с положительной полярностью (плюс-цепь) имеет ту же последовательность нуклеотидов, что и мРНК, поэтому, по крайней мере, какая-то ее часть может незамедлительно начать транслироваться клеткой-хозяином. РНК с отрицательной полярностью (минус-цепь) комплементарна мРНК, поэтому до начала трансляции на ней должна быть синтезирована положительная РНК при помощи фермента РНК-зависимой-РНК-полимеразы. Названия цепей ДНК для вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК, сходны с таковыми для РНК: кодирующая цепь комплементарна мРНК (-), а некодирующая является ее копией (+). Однако геномы нескольких типов ДНК- и РНК-содержащих вирусов представлены молекулами, имеющими различную полярность, то есть транскрипции может подвергаться любая цепь. Таковы, например, геминивирусы – вирусы растений, содержащие одноцепочечную ДНК, – иаренавирусы – вирусы животных с одноцепочечной РНК. Размер генома широко варьирует у различных видов. Самым маленьким одноцепочечным ДНК-геномом обладает цирковирус из семейства Circoviridae: его геном кодирует лишь два белка и содержит всего 2000 нуклеотидов. Один из самых крупных геномов обнаружен у мимивируса: он содержит свыше 1,2 млн п.о. и кодирует более тысячи белков. Как правило, РНК-содержащие вирусы имеют меньший геном, чем ДНК-содержащие – размер их генома ограничен из-за большей вероятности ошибок во время репликации. При большем размере генома ошибки, произошедшие во время его репликации, сделали бы вирус нежизнеспособным или неконкурентоспособным. Чтобы преодолеть это ограничение, РНК-вирусы Полесский государственный университет 72 Генетика с основами биометрии часто имеют сегментированный геном – это уменьшает вероятность того, что ошибка в одном из сегментов окажется фатальной для всего генома. Напротив, ДНК-содержащие вирусы обычно имеют более крупные геномы благодаря большей точности их репликативных ферментов. Однако вирусы, содержащие одноцепочечные ДНК, являются исключением из этого правила – скорость накопления мутаций в их геномах приближается к таковой для вирусов, содержащих одноцепочечные РНК. П ол ес ГУ 3. Трансформация Трансформация бактерий – это перенос ДНК, изолированной из одних клеток, в другие. При трансформации ДНК, выделенную из клеток одного штамма, поглощают клетки другого штамма – реципиента. Трансформация возможна у целого ряда бактерий: Diplococcus, Hemophilus, Neisseria, Bacillus, а также у актиномицетов, цианобактерий и других, и она имеет общие закономерности. Лучше всего трансформация изучена у таких бактерий, как D. pneumoniae, В. subtilis, Н. influenzae. Для того чтобы ДНК проникла в бактериальные клетки, они должны находиться в состоянии компетентности. Сначала ДНК связывается с поверхностью компетентных клеток. Обычно трансформирующая ДНК имеет молекулярную массу около 1×107 Д, что составляет около 0,5% бактериальной хромосомы. ДНК, связанная с компетентными клетками, расщепляется специальными нуклеазами до фрагментов с молекулярной массой 4-5×106 Д. После этого фрагменты ДНК проникают в клетку. Некоторые бактерии, в частности пневмококки, могут неспецифически поглощать ДНК из разных источников. В то же время, например, Hemophilus, поглощает только свою, гомологическую ДНК. Фрагменты менее 5-105 Д в клетку не проникают. После попадания в бактерию двуцепочечная ДНК превращается в одноцепочечную: одна нить ДНК деградирует. На заключительной стадии происходит интеграция одноцепочечного трансформирующего фрагмента с ДНК клетки-реципиента. При этом репликация не требуется, и включаемый фрагмент физически объединяется с ДНК реципиента. Весь процесс трансформации завершается в течение 10-30 мин. Частота трансформации разных бактерий составляет около 1%. Для некоторых бактерий показана трансформация в естественных условиях, например, в организме инфицированного животного – для Diplococcus pneumoniae, а также в условиях культуры – для Bacillus sublilis. Это означает, что трансформация – не экзотический прием генетического анализа, а естественный биологический процесс. В то же время в последние годы в связи с развитием генной инженерии широко применяется плазмидная трансформация, которая заключается во Полесский государственный университет 73 Генетика с основами биометрии введении в клетки бактерий, а также эукариот генов, интегрированных в естественные или искусственные плазмиды. П ол ес ГУ 4. Трансдукция. Использование бактериофагов для картирования хромосомы бактерий Трансдукцией называют перенос генов из одних бактериальных клеток в другие при помощи бактериофага. Это явление в 1951 г. открыл Н. Зиндер. Перед рассмотрением трансдукции важно изучить взаимоотношения между бактериями и бактериофагами. Вирулентные и умеренные бактериофаги. Бактериофаги, или вирусы бактерий, делят на две категории: вирулентные и умеренные. Вирулентный бактериофаг, проникая в клетку, вызывает литическую реакцию, т.е. размножается и лизирует бактерию. Умеренные бактериофаги могут вызывать как литическую, так и лизогенную реакцию. В последнем случае инфицирующий фаг переходит в состояние профага, который воспроизводится синхронно с хромосомой бактерии. Бактерии, несущие профаг, называют лизогенными. Лизогенные бактерии приобретают иммунитет, т.е. устойчивость к дополнительному заражению тем же бактериофагом, который их лизогенизировал. Лизогенное состояние устойчиво воспроизводится. Профаг при этом теряется с частотой около 1 на 105-106 клеточных делений. В лизогенных культурах может происходить индукция бактериофага, в результате чего наблюдается массовый лизис бактерий. Такое явление происходит спонтанно и стимулируется целым рядом агентов, повреждающих ДНК: ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами, алкилирующими соединениями, органическими перекисями и т.д. Виды трансдукции: 1. Общая трансдукция. Трансдукцию осуществляют умеренные бактериофаги. К их числу относится фаг Р22, при помощи которого Н. Зиндер впервые обнаружил трансдукцию у Salmonella typhimurium. Два штамма этой бактерии, нуждавшиеся в аминокислотах (один – phe trp tyr ++, другой – + + met his), высевали в смешанной культуре на минимальную среду. В результате появились прототрофные колонии с частотой около 1×10-4. Как видно, логика эксперимента была та же, что и при поисках конъюгации у Е. coli. Иными оказались результаты выращивания двух названных штаммов S. typhimurium в разных отростках U-образной трубки, разделенных бактериальным фильтром. Рекомбинанты были получены и в этом случае. Следовательно, для их образования не нужен контакт между клетками, как при конъюгации. Перенос генов при общей трансдукции может привести к двум различным состояниям трансдуктантов. В одних случаях привнесенный ген наследуется стабильно, поскольку интегрирует с хромосомой реципиента. Это Полесский государственный университет 74 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ полная трансдукция. В других случаях при абортивной трансдукции внесенный фагом фрагмент генома не реплицируется и передается по одной линии при размножении трансдуктанта, т.е. из двух клеток – потомков каждого деления – лишь одна получает трансдуцированный ген. Так можно трансдуцировать ген, определяющий наличие жгутика у S. typhimurium. В этом случае во всем клоне – потомстве трансдуктанта – жгутик, а, следовательно, подвижность сохраняет только одна клетка. Абортивная трансдукция происходит чаще, чем полная, иногда в 10 раз. 2. Специфическая трансдукция отличается от неспецифической тем, что бактериофаг может переносить только определенные гены, как это характерно для фага к Е. coli, который может трансдуцировать только гены локуса gal, ответственного за усвоение галактозы, и bio – гены синтеза биотина. Умеренный бактериофаг при лизогенизации Е. coli интегрирует в ее хромосому на участке между локусами gal и bio. Это было показано в конъюгационных скрещиваниях лизогенных Hfr и нелизогенных F--бактерий. Gal+-трансдуктанты возникают обычно с частотой 1×10-5-10-6 и, как правило, генетически нестабильны. Они выщепляют клетки Gal-1 частотой около 2×10-3 на клеточное деление. Это явление объясняется тем, что трансдуктанты Gal+ частично гетерозиготны gal/gal+ т.е. несут дополнительный фрагмент gal+ вместе с участком gal реципиента. Такое состояние называется гетерогенотой. При облучении гетерогенот УФ-лучами удалось получить фаголизаты, способные к трансдукции с очень высокой частотой. Почти половина всех частиц λ могла передавать признак Gal+ при трансдукции. Изучение фагов из таких лизатов, названных HFT (от англ. high frequency transduction), показало, что гены gal переносят так называемые дефектные фаги λ, т.е. такие, которые, лизогенизируя бактерии, сообщают им устойчивость к суперинфекции λ, но в дальнейшем лизогенные бактерии не способны продуцировать инфекционные частицы бактериофага. Дефектные трансдуцирующие частицы λ, обозначаемые к gal, не образуют стерильных пятен на газоне Е. coli. Они не могут самостоятельно размножаться. Для этого им требуется фаг – помощник: нормальный, не способный к трансдукции. 5. Конъюгация бактерий Конъюгацией называется непосредственный контакт между клетками бактерий, сопровождаемый переносом генетического материала из клеток донора в клетки реципиента. Процесс конъюгации у бактерий E. coli был открыт в 1946 г. Дж. Ледербергом и Е. Тэйтумом. В ходе исследований ученые руководствовались следующими принципами, ставшими затем классическими при обнаружении полового процесса у любых микроорганизмов: необходимо работать со штаммами одного вида бактерий; Полесский государственный университет 75 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ следует учитывать различия по нескольким стабильным признакам; для получения гибридов или рекомбинантов необходимо применять метод селективных сред, позволяющих регистрировать даже очень редкие события. В отношении первых двух положений эта методология восходит к правилам менделевского гибридологического анализа. В соответствии с изложенными принципами Дж. Ледерберг и Е. Тэйтум взяли два штамма Е. coli, маркированные несколькими мутациями ауксотрофности: I thr leu thi + + II + + + bio met Первый штамм нуждался в треонине, лейцине и тиамине, а второй – в биотине и метионине. Реверсию, т.е. восстановление прототрофности по отдельным признакам, наблюдали с частотой около 1х10-7. Следовательно, выбранные штаммы могли бы ревертировать к дикому типу, т.е. к полной прототрофности с частотой 1-10-14-1 × 10-21, если реверсии по всем признакам происходят независимо друг от друга. Эти штаммы смешали в жидкой полноценной среде и инкубировали в течение 24 ч. После этого смесь высеяли на минимальную среду, не содержавшую тех соединений, в которых нуждались исследуемые бактерии. Около 100 клеток на каждые 109 высеянных образовали колонии, т.е. прототрофы появились с частотой 1-10-7, что значительно превосходит (на 714 порядков) частоту спонтанного ревертирования. Следовательно, эффект обусловлен именно совместным инкубированием двух штаммов и представляет собой какой-то вариант полового процесса. Перенос генов при конъюгации. Маркеры донора передаются реципиенту в определенной последовательности с убывающей вероятностью. Это указывает на ориентированный перенос генетического материала. Ф. Жакоб и Е. Вольман в 1961 г. провели эксперименты по прерыванию конъюгации у Е. coli. Они смешивали клетки F- и Hfr при 37°С в жидкой среде. Через равные интервалы времени они отбирали пробы и встряхивали их в гомогенизаторе при 4°С, тем самым прерывая конъюгацию. Затем высевали на среду для учета рекомбинантов по различным маркерам. Первые 8 мин. рекомбинантов вообще не было, а затем они стали появляться в характерные для каждого типа рекомбинантов временные интервалы. С тех пор этот метод получил широкое распространение. Расстояния на генетической карте Е. coli измеряются в минутах. Репликация при конъюгации. Взаимоотношения F-эписомы и бактериальной хромосомы можно представить следующим образом. В клетках F отсутствует F-фактор. Клетки F+, в результате потери F-фактора становятся клетками F-. Перенос F-фактора в клетки F- превращает их в клетки F+. Полесский государственный университет 76 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Возможна интеграция F-фактора с бактериальной хромосомой, и тогда при конъюгации она переносится в F-реципиенты. У штаммов Hfr F-фактор интегрирован с хромосомой, F-фактор – представитель более широкого класса конъюгативных плазмид, обнаруженных у разных бактерий, способных мобилизовать хромосому при конъюгации и передавать ее реципиентам. Стрелки на внутреннем кольце (рисунок 3) – точки интеграции Fфактора и направление переноса хромосомы Рисунок 3 – Генетическая карта Е. coli Присутствие F-фактора определяет образование на клетках Е. coli половых ворсинок, или пилей, выполняющих активные функции при конъюгации. Они есть у F+ и у Hfr, но не у клеток F-. Именно на этих половых ворсинках адсорбируются бактериофаги, специфичные к мужским клеткам, или мужские бактериофаги. Это РНК-содержащие фаги: R17, MS2, Qβ, f2, а также фаги с одноцепочечной ДНК: fd, fl, М13. Половые пили, по-видимому, необходимы для удержания конъюгирующих бактерий. Обычно автономный F-фактор при размножении бактерий реплицируется, подобно бактериальной хромосоме, образуя θ-образные фигуры в качестве промежуточного продукта репликации. Установление конъюгационного контакта между клетками, возможно, служит сигналом для активации или синтеза ферментов, участвующих в переносе ДНК, в частности ферментов, разрывающих одну нить в ДНК F-фактора. Однонитевой разрыв отмечается в точке, отличной от обычной точки Полесский государственный университет 77 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ инициации репликации F-фактора. Если скрещиваются F+ и F, то освобождаемый в результате надреза в конец цепи ДНК начинает «разматываться» и проникает в клетку F-. Таким образом, в донор попадает одноцепочечная копия F-фактора, которая там реплицируется и превращается в двуцепочечную форму, замыкающуюся в кольцо. То, что в F--клетки передается только одна цепь F-фактора, показано с помощью так называемых мини-клеток Е. coli. У этой бактерии есть F-штаммы, в значительном количестве образующие абортивные клетки размером около 10% от нормальных и лишенные нуклеоида. Это и есть мини-клетки. Они не способны реплицировать ДНК. После конъюгации с клетками F+ из мини-клеток были выделены одноцепочечные копии F-ДНК. Если F-фактор интегрирован с хромосомой, то при конъюгации надрез F-фактора инициирует ее репликацию по механизму катящегося кольца и передачу однонитевой копии хромосомы в клетку-реципиент. Это также было продемонстрировано с помощью мини-клеток. Таким образом, при конъюгации часть F-фактора передается вместе с первыми маркерами, а часть – с самыми последними, что бывает очень редко из-за разрывов конъюгационного канала и переносимой ДНК. Полесский государственный университет 78 Генетика с основами биометрии 4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 4.1 ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ДНК И РНК ПЛАН ГУ 1. Генетическая роль ДНК и РНК, ее доказательство. 2. Репликация. 3. Полуконсервативный способ репликации. Опыты Мезельсона и Сталя. 4. Ферменты репликации, схема репликационной вилки, особенности репликации ДНК у про- и эукариот. П ол ес 1. Генетическая роль ДНК и РНК, ее доказательство ДНК – это полимерная молекула, включающая пару пуриновых – аденин (А), гуанин (G) и пару пиримидиновых оснований – тимин (Т), цитозин (С). Каждое из них соединено с одной молекулой сахара – дезоксирибозой и с остатком фосфорной кислоты в виде дезоксирибонуклеотидов, представляющих собой мономеры, входящие в состав ДНК и образующие полидезоксирибонуклеотиды, или полинуклеотиды. Американский биохимик Э. Чаргафф в 1949-1951 гг. установил следующую закономерность: количество А в любой молекуле ДНК равно количеству T, а количество G равно количеству С. Это явление было названо правилом Чаргаффа. Опираясь на правило Чаргаффа, Дж. Уотсон и Ф. Крик построили в 1953 г. трехмерную модель ДНК из обычных кусков картона, пространственная организация которой и другие ее особенности остается актуальной до сих пор. В структуре ДНК заложена возможность так называемой конвариантной редупликации. Этим термином Н.В. Тимофеев-Ресовский назвал способность живых организмов воспроизводить себе подобных, мутировать и вновь воспроизводить мутантные варианты. Иначе говоря, свойства наследственности и изменчивости оказались связанными со свойствами конкретного химического соединения – универсального носителя наследственной информации. Долгое время считалось, что ДНК может быть только в виде правозакрученной спирали. Однако в 1979 г. американский ученый А. Рич доказал, что ДНК существует и в виде левозакрученной спирали (рисунок 1). Эта форма – Z-ДНК встречается на участках, обогащенных парами G–С и, играет существенную роль в процессах рекомбинации и регуляции действия генов. Полесский государственный университет 79 ГУ Генетика с основами биометрии ес Рисунок 1 – пространственная организация ДНК П ол Дальнейший прогресс в понимании механизмов репликации генов, их функционирования и перекомбинации всецело связан с успехами молекулярной генетики. Родилась новая отрасль науки – генная инженерия, которая позволяет манипулировать индивидуальными генами, получать в пробирке их новые сочетания, получать мутации по желанию экспериментатора, переносить гены одних организмов в клетки других и таким образом конструировать биологические системы, которых никогда не было в природе. Доказательство генетической роли ДНК. Первое прямое доказательство генетической роли ДНК принадлежит Ф. Гриффитсу, открывшему трансформацию пневмококков в 1928 г. У пневмококков два типа штаммов, различающихся по характеру роста на плотных средах и одновременно по свойству патогенности по отношению к подопытным животным – мышам. S-форма микроорганизма образует на агаре гладкие блестящие колонии благодаря тому, что клетки заключены в полисахаридную капсулу. S-форма является патогенной для мышей, так как полисахаридная капсула предохраняет бактериальные клетки от иммунной системы зараженного животного. Мыши, которым вводили живые клетки Sформы пневмококка, погибали. По антигенным свойствам капсулы различают несколько типов S-форм: IS, IIS, IIIS и т.д. (рисунок 2). Полесский государственный университет 80 ГУ Генетика с основами биометрии ес Рисунок 2 – Открытие трансформации Ф. Гриффитсом П ол В ходе опыта было установлено, что после одновременного введения мышам убитых нагреванием до 65°С клеток формы IIIS и живых клеток формы IIR животные погибают. При этом из их трупов выделяются клетки формы IIIS. В контрольных экспериментах мыши, зараженные только убитой формой IIIS или только живой формой IIR, не заболевали. Наглядно этот эксперимент представлен на рисунке 3. Рисунок 3 – Эксперимент Ф. Гриффитса Полесский государственный университет 81 Генетика с основами биометрии ГУ Ученый предположил, что убитые вирулентные пневмококки S-типа нагреванием располагают неким фактором, который устойчив и способен трансформировать невирулентные клетки R-типа в вирулентные. В результате они становятся слизистыми и покрываются полисахаридной капсулой. Было выдвинуто предположение, что трансформирующий фактор – это белок. Общая схема эксперимента приведена на рисунке 4. Рисунок 4 – Эксперимент Ф. Гриффитса П ол ес Поворотом в генетике было открытие в 1944 г. трансформирующей функции ДНК. Группа американских бактериологов – О. Эвери, Ч. Мак-Леод и М. Мак-Карти – проводила исследования вирулентности возбудителя пневмонии бактерии Diplococcus pneumoniae. Их эксперимент доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК. Это явилось первым материальным доказательством роли ДНК в наследственности – кульминацией исследований, начатых Гриффитом в 1928 г. Более наглядно роль ДНК в передаче наследственной информации была установлена в 1952 г. американскими вирусологами А. Д. Херши и М. Чейзом при изучении разложения фага Т2 (вируса бактерий). В опыте белки, входящие в протеиновую оболочку вириона, были помечены радиоизотопной меткой S35 (сера), а ДНК – радиоактивным фосфором Р32. В дальнейшем вирус культивировался в клетках бактерий. После этого дочерние вирионы потомства фага подвергались радиометрическому анализу на распределение радиоактивных меток. Бвло установлено, что новое поколение фаговых частиц содержало только Р32, а это послужило основанием для заключения, согласно которому, именно ДНК, а не белок передается от родителей к потомству. О роли ДНК в передаче наследственной информации свидетельствует также открытие в 1952 г. Зайндером и Ледербергом явления трансдукции, заключающейся в переносе генетического материала фагами от одних бактерий к другим. 2. Репликация Репликация ДНК – это образование идентичных копий ДНК для Полесский государственный университет 82 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ передачи генетической информации в поколениях клеток и организмов. Репликация «стартует» с начала разъединения в определенной точке двойной спирали на цепи, каждая из которых после этого принимает матрицы для синтеза новой цепи. Участок, в котором в данный момент времени происходит синтез ДНК, называется вилкой репликации. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация однонаправленной или двунаправленной. Обычно протекает второй вариант репликации. Через некоторое время после начала репликации можно наблюдать репликационный глазок. Это участок хромосомы, в котором ДНК уже реплицирована, и он окружен более протяженными участками не реплицированной ДНК. В репликационной вилке ДНК копирует крупный белковый комплекс (реплисома), ключевым ферментом которого является ДНК-полимераза. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100000 п.о. в минуту у прокариот и 500–5000 – у эукариот. Этот процесс обеспечивает точную передачу генетической информации из поколения в поколение. Репликация ДНК является ключевым событием в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определенными механизмами регуляции репликации ДНК. Этапы репликации: инициация; элонгация; терминация. Репликация участка ДНК начинается только со строго определенного участка, называемого сайтом инициации. Понятно, что происходит это на первом этапе. В геноме таких сайтов может быть, как один, так и множество. С сайтом инициации связан репликон – участок ДНК от одной точки «начала» репликации до следующей. Он содержит регуляторные элементы, необходимые для репликации. Геном бактерий, как правило, представлен одним репликоном, это значит, что репликация всего генома является следствием одного акта инициации репликации (рисунок 5). Рисунок 5 – Особенности репликации у бактерий Репликация у эукариотических организмов начинается на хромосоме во многих точках «origin» (рисунок 6). Геномы эукариот (а также их отдельные Полесский государственный университет 83 Генетика с основами биометрии ес ГУ хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Рисунок 6 – Особенности репликации у эукариотических организмов П ол Скорость репликации прокариотических и эукориотических организмов разная. Так в первом случае она составляет примерно 2000 нуклеотидов в секунду, а во втором – в 10 раз ниже – 100–200 нуклеотидов в секунду. Бактериальная хромосома реплицируется за 40 минут, тогда как эукариотическая – более чем за 1 час. Особенности протекания репликции у про- и эукариот представлены в таблице 1. Таблица 1 – Число, средняя длина репликонов и скорость репликации у различных организмов Организмы Дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) Насекомые (Drosophila melanogaster) Амфибин (Xenopus laevis) Млекопитающие (Mus musculis) Растения (Vica faba) Число репликонов Средняя длина репликона Скорость репликации т.п.н./мин 500 40 3,6 3500 40 2,6 15000 200 0,5 25000 150 2,2 35000 300 нет данных Полесский государственный университет 84 Генетика с основами биометрии ГУ Способы репликации ДНК, предлженные в начале изучения этого процесса: консервативный, полуконсервативный, дисперсный (рисунок 7). ес Рисунок 7 – Способы репликации ДНК П ол При консервативном способе исходная ДНК остается неизменной во время всего процесса репликации, и дочерние ДНК полностью состоят из вновь синтезированной ДНК. При полуконсервативном способе в каждом акте репликации половина родительской ДНК переходит в дочернюю. При дисперсном способе ДНК распадается на короткие фрагменты, которые используются в качестве матриц для построения фрагментов двух новых молекул ДНК, соединяющихся между собой. 3. Полуконсервативный способ репликации. Опыты Мезельсона и Сталя В исходной молекуле ДНК две цепи расходятся вследствие разрыва водородных связей между азотистыми основаниями. Каждая из цепей – это матрица для образования новой цепи ДНК. Возникающие между азотистыми основаниями водородные связи соединяют две цепи: старую и новую. В результате каждая новая клетка получает гибридную молекулу ДНК, которая состоит из старой и новой цепи (рисунок 8). Полуконсервативный способ репликации был доказан Дж. Тейлором в 1958 г. на митотических клетках корешков бобов. Семена бобов проращивались на среде, содержащей тимидин, в составе которого присутствовал радиоактивный водород ³Н. Радиоактивная метка включалась в ДНК и обнаруживалась в хромосомах делящихся клеток с помощью радиоаутографии. Полесский государственный университет 85 ГУ Генетика с основами биометрии ес Рисунок 8 – Схема полуконсервативной репликации ДНК П ол В нормальной среде после одного деления клеток метку обнаруживали в обеих хроматидах метафазных хромосом, однако ее количество было меньшим наполовину, так как метка оставалась только в материнской нити ДНК, а вновь синтезированная нить была уже без метки. После второго деления одна хроматида содержала метку, а в другой она отсутствовала. Результаты опыта позволяют предположить, что хроматида состоит из одной молекулы ДНК и ДНК реплицируется полуконсервативно. Доказательство полуконсервативного характера было представлено М. Мезельсоном и Ф. Сталем в 1958 г. В эксперименте работа велась с ДНК меченными 15N и 14N. В первом случае плотность ДНК составляет 1,724, а во втором – 14N г/см³. С целью их разделения ученые применили центрифугирование в градиенте плотности, устанавливаемом при высокой скорости в течение 50-60 часов водного раствора хлористого цезия 6М концентрации. В таком градиенте плотности хлористого цезия ДНК, когда она достигает седиментационного равновесия, образует полосу на уровне той плотности градиента, которая соответствует ее собственной (рисунок 9). Рисунок 9 – Центрифугирование ДНК в градиенте плотности. Полесский государственный университет 86 Генетика с основами биометрии Бактерии Е. coli выращивали на протяжении 14 поколений на среде, содержащей радиоактивный азот (15N), для того, чтобы вся ДНК включила 15N и стала «тяжелой». Затем клетки синхронизировали и пересадили в среду с изотопом азота 14N, чтобы вновь синтезированные цепи ДНК стали «легкими». Из клеток, выращиваемых на среде с легким (14N) начиная с первой генерации, выделяли ДНК и центрифугировали в градиенте плотности CsCI. П ол ес ГУ 4. Ферменты репликации, схема репликационной вилки, особенности репликации ДНК у про- и эукариот В репликации участвуют следующие ферменты: 1.Хеликазы 2. Белки инициации репликации DnaA, DnaB, DnaC (рисунок 10), 3. SSB-белки 4. ДНК-праймаза (РНК-полимераза) 5. ДНК-полимеразы: ДНК-полимераза Ι; ДНК-полимераза ΙΙ; ДНКполимераза ΙΙΙ. 6. ДНК-лигаза. Рисунок 10 – Белок DnaA – инициатор репликации ДНК-топоизомеразы – изменяют степень сверхспирализации ДНК путем внесения одноцепочечных или двухцепочечных разрывов в ДНК; ДНК-хеликаза – разделяет двухцепочечную ДНК на одинарные цепи; Полесский государственный университет 87 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ ДНК-полимеразы – катализируют синтез дочерних цепей на матрице ДНК по принципу комплементарности; ДНК-лигаза – сшивает одноцепочечные фрагменты ДНК. Хеликазы – это ферменты, которые способны расплетать две комплементарные нити ДНК с использованием энергии, полученной при гидролизе АТФ. У бактерий имеется две хеликазы – хеликаза Rep и хеликаза DnaB. Хеликаза Rep продвигается от 3’-конца к 5’-концу цепи ДНК, служащей матрицей для ведущей цепи ДНК. Хеликаза DnaB продвигается по противоположной цепи, служащей для синтеза запаздывающей цепи. Роль ssb-белков заключается в том, что они связываются с однонитчатой ДНК, выпрямляют ее и блокируют образование шпилечных двухнитчатых структур (рисунок 11). SSB-белки обнаружены в 1968 г. Они снижают температуру плавления ДНК in vitro на 20-40◦С и связываются с ДНК электростатически. Рисунок 11 – Структура ssb-белков У ssb-белков повышенное сродство к одноцепочечной ДНК, с которой они связываются, не закрывая азотистые основания. Они крепятся по всей длине разделившихся цепей и предотвращают их комплементарное скручивание, образование «шпилек». Белки не связываются с двуцепочечной ДНК, не имеющей расплавленных участков. Репликационная вилка – Y-образная структура, перемещающаяся вдоль родительской спирали ДНК и характеризующаяся расхождением двух ее цепей, в пределах которой происходит активная репликация ДНК (рисунок 12). Полесский государственный университет 88 ГУ Генетика с основами биометрии Рисунок 12 – Схема репликационной вилки П ол ес Репликация молекул ДНК у прокариот протекает несколько иначе, чем у эукариот. У прокариот одна из нитей ДНК разрывается, и один конец ее прикрепляется к клеточной мембране, а на противоположном конце происходит синтез дочерних нитей. Такой синтез дочерних нитей ДНК получил название «катящегося обруча». У бактерий скорость репликации составляет 30 мкм в минуту. За минуту к нитке-матрице присоединяется около 500 нуклеотидов, у вирусов – порядка 900. У эукариот процесс репликации несколько медленнее. У них дочерняя нить удлиняется на 1,5-2,5 мкм в минуту. ДНК всех живых существ устроена одинаково, но различается коэффициентом видоспецифичности, который представляет собой отношение молекулярной суммы А+Т к молекулярной сумме Г+Ц. Видоспецифичность ДНК выражается процентом или долей в ней ГЦ-пар. ДНК-полимеразы эукариот: – для репликации ядерной ДНК: полимеразы α, ϭ ,ϵ; – для репликации митохондриальной ДНК: полимераза γ. Для репарации ДНК: полимеразы β, ϵ, κ, μ, η. Способы репликации различных геномов: 1. Репликация по типу глазка или θ – структуры (для кольцевых геномов). 2. Репликация по типу множественных глазков при репликации хромосом эукариотических организмов. 3. Репликация по типу крутящегося кольца (для хромосомы Е.coli во время коньюгации, а также для геномов бактериофагов и многих вирусов). 4. Репликация по типу D-петли (репликация хлоропластов и митохондрий) (рисунок 14). Полесский государственный университет 89 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Рисунок 14 – Репликация хлоропластных и митоходриальных геномов Полесский государственный университет 90 Генетика с основами биометрии 4.2 РЕПАРАЦИЯ ДНК ПЛАН 1. Основные типы репарации ДНК. 2. Рестрикция-модификация ДНК. П ол ес ГУ 1. Основные типы репарации ДНК Репарация – процесс исправления ошибок в последовательности нуклеотидов ДНК и восстановления ее исходной структуры. Механизм исправления ошибок включает в себя большое число ферментативных реакций. Молекула ДНК является единственной среди всех макромолекул, которая не деградирует, а исправляет возникающие повреждения. Репарация сохраняет первичную структуру и генетическую информацию ДНК, обеспечивает ее высокую стабильность и поддержание целостности клеточного генома. В результате из 1000 случайных изменений ДНК в мутацию может реализоваться статистически менее одного случая. Различают несколько видов репарации: фотореактивация; эксцизионная репарация; рекомбинационная (пострепликативная) репликация; SOS-репарация. Фотореактивация – восстановление исходной структуры молекулы ДНК, поврежденных УФ-излучением, в результате воздействия видимого света. Она открыта И. Ф. Ковалевым, А. Келнером и Р. Дульбекко в 1948 г. Эти ученые проводили опыты над инфузориями, парамециями, коловратками, бактериями и бактериофагами. Факторы, определяющие эффективность фотореактивации: уровень рН; температура; физиологическое состояние клетки. Восстановительный эффект при фотореактивации связан с действием фермента дезоксирибозидпиримидинфотолиазы – полипептида, ассоциированного для его активности с небольшой молекулой РНК (10-15 нуклеотидов). Под влиянием УФ-лучей в одной цепи ДНК образуются димеры двух соседних пиримидинов (тиминовые димеры) циклобутанового типа. Каждый из димеров задерживает репликацию на 10 сек. Процесс регенерации оснований-мономеров активируется под действием видимого света с длиной волны 300–600 нм и осуществляется под действием специфических фотореактивирующих ферментов. Фотолиаза узнает димер и расщепляет ковалентные связи между двумя пиримидинами. Фотореактивации подвергаются только циклобутановые димеры. На данный момент это единственная известная ферментная реакция, в которой Полесский государственный университет 91 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ фактором активации служит не химическая энергия, а энергия видимого света. Дезоксирибозидпиримидинфотолиаза широко распространена у разных органических форм и имеется даже у таких примитивных микроорганизмов, как микоплазмы. Она есть у всех изученных бактерий, кроме Micrococcus radiodurans, которые чрезвычайно устойчивы к действию УФ-лучей и выдерживают дозы в 1000 раз более высокие, чем те, что летальны для E.coli. Фотолиаза обнаружена в клетках многих растений и животных, в том числе и у человека. Эксцизионная репарация – удаление неправильно спаренных или поврежденных оснований из ДНК и синтез новых последовательностей, взамен удаленных поврежденных. Данная репарация является наиболее распространенной. В ее основе лежит распознавание модифицированного основания различными гликозилазами, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. С помощью данной репарации могут исправляться не только пиримидиновые димеры, но и многие другие повреждения структуры ДНК. В эксцизионной репарации принимают участие несколько ферментов, а сам процесс затрагивает не только поврежденный, но и соседние с ним нуклеотиды. Для этой репарации необходима вторая (комплементарная) цепь ДНК. Общая упрощенная схема эксцизионной репарации представлена на рисунке 1. Рисунок 1 – Схема эксцизионной репарации Полесский государственный университет 92 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Механизм эксцизионной репарации состоит из нескольких стадий: 1. Измененный участок, который несет повреждение в цепи ДНК, узнается и удаляется с помощью специфических ДНК-эндонуклеаз. Они осуществляют гидролиз фосфодиэфирных связей с 5'-конца от повреждения, а 5'→3' – экзонуклеаза и затем удаляют поврежденный участок. 2. Ресинтез ДНК – заполнение образовавшейся бреши, при этом одноцепочечный участок ДНК используется в качестве матрицы. 3. ДНК – лигаза ковалентно сшивает 3'-конец нового материала с 5'концом старого материала. Рекомбинационная репарация происходит с участием рекомбинации. Данный тип репарации основан на процессах рекомбинации и репликации, поврежденной ДНК. Бреши в цепях ДНК образовываются в тех случаях, когда системы репарации оказываются нарушенными. Они имеют существенные размеры, что может привести к гибели клеток. В этом случае клетка может использовать механизм рекомбинации. У бактерий в рекомбинантной репарации принимает участие белок Rec А. Данный белок связывается с одноцепочечным участком ДНК и вовлекает его в рекомбинацию с гомологичными участками неповрежденных цепей другой молекулы ДНК. В результате и разорванная (содержащая бреши), и неповрежденная цепи репарируемой молекулы ДНК оказываются спаренными с неповрежденными комплементарными участками ДНК. При этом могут происходить вырезание определенного фрагмента и заполнение с его помощью бреши в дефектной цепи. Возникающие при этом пробелы и разрывы в цепях ДНК восполняются с участием ДНК-полимеразы I и ДНКлигазы. SOS-репарация – медленная репликация с участием системы ферментов, которую индуцирует облучение. М. Радман предположил существование этой системы в 1974 г. Она работает тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что угрожает жизни клетки. Для данного случая характерна индукция активности разнообразной группы генов, задействованных в различных клеточных процессах (таблица 1). Таблица 1 – Гены, задействованные в SOS-репарации повреждений ДНК Гены uvr А, В, С, D Rec А lex А rec N, ruv Ssb umu С, D Полесский государственный университет Последствия активации гена репарация повреждений вторичной структуры ДНК пострепликативная репарация, индукция SOS-системы выключение SOS-системы репарация двунитевых разрывов обеспечение рекомбинационной репарации мутагенез, вызванный изменениями свойств 93 Генетика с основами биометрии ДНК-полимеразы подавление клеточного деления sul А ГУ Гены, определяемые количеством повреждений в ДНК, приводят к разным по значимости клеточным ответам (начиная со стандартной репарации поврежденных нуклеотидов и кончая подавлением клеточного деления). Данный вид репарации наиболее изучен у Е. Сoli. Белки являются главными участниками, которые кодируются генами Rec A и Lex А. Rec A представляет собой полифункциональный белок, который участвует в рекомбинации ДНК, регуляции транскрипции генов фага λ. Lex А – репрессор транскрипции большой группы генов, который предназначен для репарации ДНК бактерий. При его ингибировании или разрешении репарация активируется. Связывание Rec А с Lex А приводит к расщеплению последнего и соответственно к активации генов репарации. SOS-система репарации выявлена не только у бактерий, но и у животных и человека. П ол ес 2 .Рестрикция-модификация ДНК Система рестрикции-модификации – ферментативная система бактерий, разрушающая попавшую в клетку чужеродную ДНК. Основная ее функция – защита клетки от чужеродного генетического материала, например, бактериофагов и плазмид. Для компонентов системы характерны два типа активности – метилтрансферазная (метилазная) и эндонуклеазная. Система рестрикции-модификации специфична по отношению к определенным последовательностям нуклеотидов в ДНК, называемых сайтами рестрикции. Если нуклеотиды в сайте рестрикции не метилированы, эндонуклеаза рестрикции вносит в ДНК двуцепочечный разрыв (часто со смещением на несколько нуклеотидов между цепями), при этом биологическая роль молекулы ДНК нарушается. Если ДНК в месте действия ферментов рестрикции метилирована, ее расщепление не происходит. Подобная специфичность системы позволяет бактериям проводить селективное расщепление чужеродной ДНК, не затрагивая собственную. Функционирование системы можно рассмотреть на бактериофаге λ и клеток штамма E. Сoli K-12. Развитие фага приводит к эффективности посева равной единице: каждая частица бактериофага заражает бактериальную клетку, репродуцируется в ней и дает потомство. Если фаголизатом, полученным после цикла развития фага λ на бактериях штамма E. Сoli K-12, инфицировать бактерии E. Сoli штамма C, то эффективность посева будет значительно ниже. Следовательно, не каждая фаговая частица по каким-то причинам способна размножаться в клетках нового хозяина. Если же фаговые частицы, образовавшиеся после цикла Полесский государственный университет 94 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ репродукции на клетках E. Сoli C, использовать для заражения такой же культуры (E. Сoli C), то размножение бактериофага λ вновь будет проходить нормально, и эффективность посева составит единицу. Однако, если перед заражением штамма E. coli C фаг пропассировать на штамме E. Сoli K-12, то на штамме E. Сoli C он будет развиваться с низкой эффективностью. Таким образом, при смене хозяина наблюдается значительное ограничение размножения фага λ, которое получило название рестрикции. Рестрикция обусловлена расщеплением инфицирующей ДНК фага под действием фермента, специфичного для штамма – хозяина. Ферменты эти получили название рестриктаз. Благодаря своему нуклеазному действию они препятствуют поддержанию чужеродной ДНК в бактериальной клетке. С другой стороны, если фаг проделал полный цикл репродукции в новом хозяине, то в дальнейшем в этом же хозяине, он не подвергается ограничению, или рестрикции. В бактериальной клетке кроме рестриктаз синтезируются другие ферменты – метилазы, которые призваны защищать собственную ДНК от действия клеточных рестриктаз. Метилазы изменяют или модифицируют собственную ДНК путем метилирования или гликозилирования аденина или цитозина. Этот процесс известен под названием модификации. Ферменты модификации защищают ДНК хозяина от действия эндонуклеаз рестрикции. При этом одна и та же молекула может претерпевать разные типы модификации ДНК. Так, можно заразить мутант штамма E .Сoli B, утерявший способность к рестрикции, но сохранивший способность к модификации, фагом λ K, несущим утяжеляющую метку. Методом центрифугирования в градиенте плоскости и лизатах таких клеток можно обнаружить частицы бактериофага, несущие одну из родительских цепей ДНК и совмещающие типы модификации, характерные для штамма K и для штамма B. Существенную роль в модификации ДНК играет метионин. Если индуцировать лизогенный по фагу λ и ауксотрофный по метионину штамм E. Сoli на среде без метионина и добавить эту аминокислоту лишь в конце латентного периода, то ДНК в значительной части фагов модификации не затронут. Выяснилось, что в ходе модификации донором метильных групп служит S-аденозилметионин. ДНК бактериофага, прошедшего полный цикл развития в новом хозяине, под действием метилаз модифицируется таким же образом, как и ДНК клеткихозяина. Она метилируется и приобретает свойства, защищающие ее от воздействия рестрикционных ферментов данного штамма бактерий. В настоящее время все известные рестриктазы в зависимости от потребностей в кофакторах и характеру расщепления нуклеотидных последовательностей ДНК разделяют на 3 типа: I, II и III. Рестриктазы I типа являются сложными белками с тремя различными типами субъединиц (эндонуклеаза, метилаза, фермент узнавания). Для действия этих ферментов требуются в качестве кофакторов АТФ, SПолесский государственный университет 95 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ аденозинмонофосфат и ионы Mg2+. Расщепление ДНК совмещено с гидролизом АТФ. Рестриктазы I типа узнают сайт рестрикции, но расщепляют последовательность ДНК на произвольном расстоянии от сайта узнавания (от нескольких десятков до нескольких тысяч п.о.). В результате образуются самые разнообразные фрагменты ДНК, или рестрикты. Такие рестриктазы невозможно использовать для решения генно-инженерных задач. Системы рестрикции и модификации II типа представлены двумя отдельными белками (рестрикционная эндонуклеаза, модификационная метилаза). Рестриктазы II типа – относительно просто организованные белки, состоящие из двух субъединиц одного типа со сравнительно небольшой молекулярной массой. Для специфического действия этих ферментов нужны только ионы Mg2+. Рестриктазы II типа характеризуются тем, что у них сайты узнавания и места рестрикции совпадают. Рестриктазы III типа имеют некоторое сходство с рестриктазами I типа. Фермент состоит из двух различных субъединиц (эндонуклеаза, метилаза) и поэтому бифункционален, т.е. обладает как рестриктазной, так и метилазной активностью. Для проявления эндонуклеазной активности требуются только АТФ и ионы Mg2+. Расщепление ДНК не сопровождается гидролизом АТФ. Рестриктазы III типа гидролизуют ДНК на расстоянии 20–39 нуклеотидных пар от сайтов узнавания и поэтому также довольно редко используются для практических целей. Полесский государственный университет 96 Генетика с основами биометрии 4.3 ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРУКТУРЕ И ФУНКЦИЯХ ГЕНА ПЛАН 1. Хромосомная теория гена. 2. Функциональный и рекомбинационный тесты на аллелизм. 3. Центровая теория гена. 4. Псевдоаллелизм. 5. Цис-транс-тест на аллелизм. П ол ес ГУ 1. Хромосомная теория гена Представление классической генетики о единице наследственности в основном базируется на положении о функциональной неделимости гена и стабильности структуры гена и генома. Термин «ген» впервые применил В. Иоганнсен в начале XX в. для определения «особых, при известных обстоятельствах отделимых друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельных единиц, или элементов, в половых клетках», обусловливающих свойства организма. Вопрос о локализации этих единиц долгое время оставался нерешенным. Предположение о том, что гены локализуются в хромосомах, впервые высказал А. Вейсман (1894 г.), а экспериментально подтвердил Т. Морган (1911 г.), сформулировавший хромосомную теорию наследственности. Тем не менее В. Бэтсон (1909 г.), современник Моргана, сомневался в том, что частички хроматина или какой-либо другой субстанции могут нести те же «силы», что и гены. Согласно представлениям хромосомной теории, ген является наименьшей структурной единицей наследственности, ответственной за формирование определенного признака. Он локализуется в хромосоме и занимает строго постоянное место – локус. Однако это постоянство относительно, так как под влиянием различных факторов ген может менять положение, в результате чего изменяется и его фенотипическое выражение. Следовательно, ген – это и наименьшая функциональная единица наследственности, детерминирующая один элементарный признак организма и отвечающая за фенотипическое различие особей. Структура гена относительно постоянна, то есть под влиянием какихлибо воздействий может изменяться. Это приводит к формированию мутантного фенотипа и обусловливает возможность существования гена в двух или нескольких аллельных состояниях. Аллели оказывают различное действие на развитие и фенотипическое выражение признака. Значит, ген является также элементарной единицей мутации, т.е. единицей, способной как единое целое изменяться и в таком виде воспроизводиться в потомстве. Полесский государственный университет 97 Генетика с основами биометрии Согласно положениям классической генетики, ген не может быть разделен путем кроссинговера; рекомбинация возможна лишь между локусами хромосомы. Следовательно, ген является и наименьшей единицей рекомбинации. Кроме того, он способен к редупликации. Таким образом, в соответствии с хромосомной теорией наследственности, ген представляет собой участок хромосомы, выступающий как наименьшая неделимая единица функции, мутации и рекомбинации. Исходя из этого представления и учитывая, что ген контролирует развитие элементарных менделевских признаков, Морган ввел функциональный и рекомбинационный тесты определения аллельной принадлежности гена. П ол ес ГУ 2. Функциональный и рекомбинационный тесты на аллелизм Функциональный критерий аллелизма основан на скрещивании мутантов и выяснении, нарушают ли мутации одну и ту же функцию или разные функции. Функциональный критерий аллелизма применим только к рецессивным мутациям. Рисунок – 1 Функциональный критерий аллелизма. А – мутации в разных генах; Б – мутации в одном гене. Крестиками помечены мутации Согласно этому критерию, если две мутации объединяются путем скрещивания в F1 и не поврежденные мутациями участки генетического материала взаимодействуют комплементарно, т.е. образуется гибрид дикого типа, то мутации относятся к разным функциональным единицам – разным генам. В этом случае имеет место классическая дигетерозигота. Если же при объединении в F1 двух мутаций возникает гибрид мутантного фенотипа, это означает, что обе мутации повреждают одну и ту же функциональную единицу – один и тот же ген. В этом случае правомерно говорить о гетероаллельной комбинации, или компаунде. Рекомбинационный тест на аллелизм сводится к определению возможности и частоты рекомбинаций между мутантными генами. Полесский государственный университет 98 Генетика с основами биометрии Рекомбинации возможны только в том случае, если мутации неаллельны. Если же мутации затрагивают один и тот же локус, они не рекомбинируют, поскольку кроссинговер происходит лишь между генами. Функциональный и рекомбинационный тесты оправдывали бы себя, если бы ген действительно был наименьшей неделимой структурой хромосомы, функционирующей и мутирующей как единое целое. Однако с расширением возможности генетического анализа было установлено, что классические тесты на аллелизм не всегда дают однозначный результат. На основании этого некоторые ученые пришли к выводу, что представления о гене в свете хромосомной теории несколько упрощены и что необходима более детальная расшифровка его функциональной и структурной сущности. П ол ес ГУ 3. Центровая теория гена Импульсом к дальнейшему развитию теории гена послужили противоречия, наблюдаемые при последовательном строгом применении критериев аллелизма в экспериментах школы А.С. Серебровского с дрозофилой в 20-30 гг. А.С. Серебровский и его молодые сотрудники доказали протяженность и сложную структуру гена в работах по исследованию так назывемого ступенчатого аллеломорфизма. Явление это было открыто при изучении локуса sc- ас (scute- achaete), который контролирует развитие щетинок у D. melanogaster. Его мутации приводят к редукции щетинок, а также к некоторым дополнительным фенотипическим эффектам. Разные мутантные аллели приводят к различающимся изменениям фенотипа. Оказалось, что независимо возникшие мутации в локусе sc-ас, полученные под действием У-лучей, вступают в сложные отношения аллелизма. Две аллели могут иметь как сходство, так и различия в фенотипическом проявлении: в редукции определенных щетинок. При объединении независимо возникших мутантных аллелей в компаунде обычно редуцировались лишь те щетинки, которые были утрачены у обоих родителей. При графическом изображении взаимодействия нескольких пар аллеломорфов в компаундах получалось нечто вроде лестницы, ступенями которой служили отдельные аллели. Это явление и получило наименование ступенчатого аллеломорфизма. На основе исследования ступенчатого аллеломорфизма удалось построить линейный план гена sc-ас. Кроме того, Н.П. Дубининым был сделан вывод о том, что ген sc–ас состоит из более мелких элементов – центров. Предполагалось, что в случае мутирования изменяется не весь ген, а лишь некоторые его центры. Так, с помощью генетического анализа мутаций scute путем использования классических тестов на аллелизм Серебровский с сотрудниками получили результаты, позволившие им выдвинуть гипотезу о Полесский государственный университет 99 Генетика с основами биометрии существовании функциональных единиц меньшего, чем ген, порядка – трансгенов. Они предполагали, что трансгены располагаются внутри гена в линейном порядке и что развитие признака обусловливается их функциональным взаимодействием. В результате была сформулирована так называемая центровая теория гена, согласно которой основной ген (Серебровский предложил называть его базигеном) подразделяется на несколько функционально самостоятельных субгенов (трансгенов). П ол ес ГУ 4. Псевдоаллелизм С начала 40-х гг. нашего века начали публиковаться работы по проблеме так называемого «псевдоаллелизма». В них развиваются представления о сложной структуре гена. В работах К. Оливера, М. Грина, Е. Льюиса с D. melanogaster были получены примеры рекомбинаций мутаций, которые в соответствии с функциональным тестом должны были считаться аллельными. Это противоречие между рекомбинационным и функциональным критериями аллелизма и породило термин «псевдоаллелизм». Открытие Серебровского получило подтверждение спустя почти 20 лет, после того как выяснилось, что ген может быть разделен путем кроссинговера. Эти сведения были получены в 40-х гг. американскими учеными К. Грином, М. Грином, К. Оливером и Е. Льюисом при изучении рецессивных мутантных аллелей гена lozenge. Изучая у дрозофилы действие двух аллелей гена lozenge, К. Грин и М. Грин установили, что мутации lz50е и lz8 в гомозиготе и в компаунде (гетероаллельная комбинация) с другими мутациями lz дают ярко выраженный мутантный фенотип, а в компаунде lz50e / lz8 – частично комплементарны и дают фенотип, близкий к нормальному. Оливер обнаружил также, что в потомстве, получаемом от анализирующего скрещивания гетерозиготы lz s/ lzg, с постоянной частотой возникают реверсии (возврат) к дикому типу, которые, по его мнению, можно объяснить рекомбинацией между сцепленными с локусом lozenge аллелями. Аналогичный эффект получил и Льюис при рекомбинационном анализе, произведенном с двумя аллелями другого гена, также определяющего развитие глаз у дрозофилы. Предположив, что отдельные участки гена способны к рекомбинации, Льюис сделал следующее допущение: мутация захватывает не весь ген, а лишь небольшую его часть, между частями гена происходит кроссинговер. Мутации одного гена, т.е. аллельные мутации, между которыми происходит кроссинговер, получили название псевдоаллели. В тех случаях, когда наблюдаются противоречия между функциональной и рекомбинационной оценками мутации на аллелизм, используется термин «псевдоаллелизм». Число примеров «псевдоаллелизма» (рекомбинации между мутациями, аллельными на основании функционального теста) быстро возрастало, Полесский государственный университет 100 Генетика с основами биометрии особенно с развитием генетики микроорганизмов. «псевдоаллелизм» – правило, а не исключение. Стало ясно, что П ол ес ГУ 5. Цис-транс-тест на аллелизм Исходя из того, что ген представляет собой сложную в функциональном и рекомбинационном отношениях единицу наследственности, для определения аллельности мутаций у дрозофилы Льюис предложил тест на комплементарность, так называемый цис-транс-тест. Согласно этому тесту мутации попарно испытывают в гетерозиготе в двух конфигурациях: цис – обе мутации в гибриде происходят от одного родителя, и транс – они поступают в гибрид от разных родителей. Сущность его сводится к тому, что при цис-положении обе мутации гибрид получает от одного родителя, при транс-положении – от обоих. Наиболее существенную роль играет транс-тест, а цис-тест является как бы его контролем. Транс-тест по сути аналогичен функциональному тесту на аллелизм, предложенному Морганом. Принципиальные же различия между ними состоят в том, что Морган считал ген неделимой структурной единицей хромосомы, а Льюис исходил из того, что ген представляет собой сложную систему, состоящую из нескольких самостоятельных в фенотипическом выражении функциональных единиц. Цис-транс-тест, таким образом, позволяет установить, аллельны или неаллельны мутации даже в том случае, если они локализуются в одном гене, но принадлежат разным функциональным единицам. В цис-типе наблюдается полное доминирование нормальных аллелей и оба рециссивных мутантных аллеля не проявляются. В другом генетическом изомере, названном транс-типом, мутантные псевдоаллели находятся в разных хромосомах (а+/+b). В этом случае обнаруживается псевдоаллелизм и рецессивные признаки проявляются. Грин изучил 19 независимых мутаций, давших развитие признака lozenge. Они оказались связанными с изменениями в трех рядом расположенных локусах. Между этими локусами с ничтожной частотой происходил перекрест (0,09 и 0,06%). Взаиморасположение этих локусов, каждый из которых имеет свою серию аллелей, имеет вид: Полесский государственный университет 101 Генетика с основами биометрии ГУ Путем перекреста были получены хромосомы с разным взаимоположением мутантных аллелей трех локусов. Цис-типы во всех случаях обнаруживали нормальные признаки, а транс-типы – проявление рецессивов: П ол ес У всех транс-типов, при которых псевдоаллели расположены в разных хромосомах, развивается фенотип рецессивных мутантов. С другой стороны, для всех цис-типов, при которых мутантные псевдоаллели расположены в одной хромосоме, характерна полная рецессивность мутаций, у них развивается нормальный фенотип. Исходя из представления о связанности функций псевдоаллелей, было предложено объяснить это загадочное влияние положения аллелей в разных генетических изомерах изменением цепи последовательных биохимических реакций. Это объяснение было предложил Понтекорво, использовавший теоретические положения о микромолярных реакциях, разработанные МакИлфайном. Люис также высказал, а затем детально разработал эти гипотезы. В основу этого положена идея о том, что последовательность нормальных аллелей данной группы в хромосоме не имеет случайного характера, она отражает последовательность прохождения ряда биохимических реакций, в которых отдельный локус хромосомы определяет одно звено. Если мы имеем два псевдоаллеля (a+b+), то протекание цепи реакций будет иметь такой вид: действие первого псевдоаллеля (а+) служит причиной появления вещества А за счет реакции, которая преобразует какойто исходный субстрат (С) в это вещество (реакция С→А). Второй псевдоаллель (b+) преобразует вещество А в вещество В (реакция А→В). В случае наличия большого числа рядом расположенных псевдоаллелей реакция приведет к появлению веществ D, Е и т.д. Условием для нормального протекания этой цепи реакций является близость внутри хромосомы нормальных аллелей и их порядок, обепечивающий последовательность звеньев в цепи реакций. Вполне понятно, что мутация любого из нормальных Полесский государственный университет 102 Генетика с основами биометрии ес ГУ локусов будет прерывать или нарушать течение реакций в соответствующих звеньях. В свете этих представлений понятны различия функций генов в транс- и цис-типах. В случае цис-типа наличие двух нормальных аллелей в одной хромосоме ведет к нормальному появлению сначала вещества А, а затем вещества В. При транс-расположении в одной хромосоме имеется мутация одного псевдоаллеля (а), а в другой – другого (b). В одной хромосоме наличие мутации (а) ведет к образованию недостаточного количества вещества А, вследствие чего не образуется достаточного количества вещества В. В другой – наличие мутантного аллеля (b) не дает нормальной реакции А→В, вследствие чего также не образуется достаточного количества вещества В (<В). В результате характер взаимоположения псевдоаллелей в паре гомологичных хромосом определяет их функции, что показано на схеме: П ол Наличие цепи последовательных реакций представляется очень вероятным в свете данных ряда работ и особенно исследований Люиса по псевдоаллелям биторакс у дрозофилы, которые вызывают преобразование груди (торакса) у имаго. Известны спонтанные мутации в трех рядом расположенных псевдоаллеля: биторакс (bx3), ультрабиторакс (ubx+) и битораксоид (bxd+). цепь реакций: box+→ubx+→bxd+. Это представление было подтверждено данными по хромосомным перестройкам. Так, разрывы, которые отделяют box+, bud+, bad не изменили действия аллелей bx+ и ubx+, но вели к появлению крайнего проявления признаков bxd. Причиной этого был разрыв цепи реакций, так как удаление нормального аллеля bxd+ от соседнего локуса ubx+ не позволило завершиться последнему звену в цепи реакций. На основании этих, а также ряда других опытов Люис высказал предположение, что действие трех псевдоаллелей биторакс связана с наличием трех веществ А, В и D, действие которых зависит от их концентрации. Последовательность реакций, начинающихся с использования исходного субстрата (С), имеет такой вид: Cbx+ Aubx+ Bbxd+ D Таким образом, влияние нормального аллеля биторакс (bx+) приводит к Полесский государственный университет 103 Генетика с основами биометрии превращению субстрата С в вещество А, нормального аллеля ультрабиторакс (ubx+) вызывает реакцию А→В и нормального аллеля битораксоид (bxd+) – реакцию: В→О. Изучение перекреста позволило локализовать эти три локуса в таком порядке: П ол ес ГУ Аллели бито ракс (box, box3, bx34l) рецессивны, они в разной степени вызывают изменения метаторакса, переводя его на уровень мезоторакса, в результате чего галтеры превращаются в образования, похожие на крылья, развитие которых характерно для структур мезоторакса. Аллели битораксоид (bxd, bxd100) также рецессивны, они вызывают сходные изменения метаторакса, и, кроме того, первый абдоминальный сегмент изменяется до уровня развития метаторакса, в результате на этом брюшном сегменте может развиваться пара ног (выросты метаторакса). Такие особи вместо шести имеют восемь ног. Аллель ультрабиторакс (ubx)доминантный, у гетерозигот он вызывает небольшое увеличение галтеров, в гомозиготах летален. Люис следующим образом объяснил разное проявление признаков в основных комбинациях трех псевдоаллелей биторакс: В первом случае проявление мутации связано только с изменением галтеров, причина этого – заметное уменьшение количества вещества В. В этом генотипе одна хромосома содержит нормальные аллели, в результате все Полесский государственный университет 104 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ три вещества (ABD) появляются в нормальном количестве. Однако заметное уменьшение вещества в другой хромосоме создает некоторую его недостаточность в целом. Во втором случае хотя состав генов тот же, однако налицо проявление рецессивной мутации биторакс, так как блокировка реакций имеет место в обеих хромосомах. Эта блокировка уменьшает количество вещества В, так как в одной хромосоме имеется резкое уменьшение количества этого вещества (<<В) в силу действия мутации bx, в другой – среднее уменьшение его количества (<В) из-за действия мутации bx34l. Признаки битораксоида здесь не проявляются, так как количество вещества D (<<D и <D) снижено еще недостаточно. В особях третьего генотипа проявляются признаки рецессивной мутации битораксоид, так как уменьшение количества вещества D достигает соответствующего уровня (<<D <<D). У этих особей количество вещества В находится на таком уровне, когда признаки мутации биторакс еще не проявляются (В и <<В). У особей четвертого генотипа благодаря снижению ниже порога нормы как вещества В (<В и <<В), так и вещества D (<<D и <<D) появляются комбинации признаков двух рецессивных мутаций — биторакс и битораксоид. Объяснение различий между цис- и транс-типами сделано на основании того, что вещества А, В и D не диффундируют в заметных количествах из данной хромосомы к гомологичной хромосоме. В противном случае генетическая изомерия не оказывала бы своего влияния. Однако в некоторых случаях диффузия все же имеет место. Этот факт установлен Люисом в его работе по новому типу эффекта положения. Люис показал, что большинство хромосомных перестроек, у которых хотя бы один разрыв прошел в любом месте между локусом биторакс и центромерой, т. е. на огромном участке хромосомы, содержащем более 500 дисков, вызывают эффект положения в транс-типе и не изменяют действие генов в цис-типе. Известно, что хромосомные перестройки нарушают конъюгацию гомологов. У дрозофилы благодаря тесному сближению гомологов при соматической конъюгации создается возможность проникновения вещества из одного в другой. Если это имеет место, тогда нарушение конъюгации, ведущее к пространственному разобщению нормальных аллелей, локализованных в транс-типе в разных хромосомах, должно приводить к нарастанию проявления мутационных признаков. Это и было показано в экспериментах Луиса. Слабые аллели бито ракс и битораксоид (bх и bxd) не проявляют псевдоаллелизма в транс-структурах. В этих случаях имеет место обычная картина рецессивности мутаций вне зависимости от их расположения в гомологичных хромосомах. В этом случае имеем: Полесский государственный университет 105 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Лишь в случае использования сильных аллелей (bx3, bx34l, bxd100) имеет место псевдоаллелизм, как это было показано выше. Отсутствие эффекта положения в транс-типах у слабых аллелей биторакс и битораксоид свидетельствует, что в этих случаях взаимодействие между гомологами таково, что диффузия веществ обеспечивает перенос достаточного количества предшественников, чтобы обеспечить цепь реакций, ведущих к нормальному развитию. Полесский государственный университет 106 Генетика с основами биометрии 4.4 СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ГЕНА ПЛАН 1. Тонкая структура гена. Работы С. Бензера. 2. Экзонно-интронная структура гена. 3. Сплайсинг и альтернативный сплайсинг. ес ГУ 1. Тонкая структура гена. Работы С. Бензера Значимым достижением молекулярной генетики является установление минимальных размеров участков гена, передающихся при кроссинговере, подвергающихся мутации и осуществляющих одну фракцию. Их величины были получены в 50-е гг. С. Бензером, который в те годы занимался изучением так называемых rII-мутаций бактериофага Т4, поражающего кишечную палочку – Е. Сoli. Эти мутанты дают быстро формирующиеся негативные колонии (бляшки) на бактериальном газоне. Бензер разработал удобный тест для разделения r-мутантов на три группы (rI, rII и rIII) по способности образовывать бляшки определенной формы на различных линиях кишечной палочки. В частности, те r-мутанты, которые дают большие, круглые, прозрачные бляшки на штамме В и не дают бляшек вовсе на штамме K12 (λ), являются rII-мутантами (рисунок 1). П ол Тип колоний, образуемых фагом Т4 на газоне E. Сoli Штамм E. Сoli B Генотип фага Т4 Дикийтип Мутант rll мелкие K-12 мелкие не образует Рисунок 1 – Тип колоний, образуемых фагом Т4на газоне Е. coli Очевидно, это позволяет предельно просто выделять из популяции rII фагов все обратные мутанты, т.е. восстановившие свою способность лизировать клетки Е. Сoli K12 (λ). Выделив несколько сотен rII-мутантов, Бензер для построения генетических карт предпринял всевозможные скрещивания их между собой. Полесский государственный университет 107 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Основой для картирования служил широко применяемый в классической (а теперь и в молекулярной) генетике метод трехфакторного скрещивания (метод трех точек). В результате Бензеру удалось с большой точностью расположить в пределах одного rII-гена несколько сотен различных мутаций. Среди различных внутригенных мутаций Бензер выделил два класса: точечные мутации (мутации минимальной протяженности) и делеции (мутации, занимающие достаточно широкую область гена). Для точной локализации мутации Бензер использовал не только скрещивание точечных мутантов между собой (рисунок 2), но и метод перекрывающихся делеций. При скрещивании точечного и делеционного мутантов рекомбинанты появляются только тогда, когда делеция не затрагивает участок, в котором локализована точечная мутация. Рисунок 2 – Скрещивание точечных мутантов Установив факт существования точечных мутаций, Бензер задался целью определить минимальную длину участка ДНК, передаваемую при рекомбинации. Оказалось, что эта величина составляет не более нескольких нуклеотидов, т.е. нескольких мономеров полимерной молекулы ДНК. Бензер назвал эту величину реконом. Следующим этапом было установление минимальной длины участка, изменения которого достаточно для возникновения мутации, иными словами, определение минимального размера точечной мутации (мутона). По мнению Бензера, эта величина равна нескольким нуклеотидам. Однако последующими тщательными определениями было выявлено, что длина одного мутона не превышает размеров одного нуклеотида. Оставалось выяснить, что представляет собой на молекулярном уровне третья характеристика гена – управление одной функцией. Для выяснения Полесский государственный университет 108 Генетика с основами биометрии ГУ затрагивают ли две мутации одну и туже или разные единицы функции, он предложил использовать цис-транс тест, изобретенный Е. Льюисом. Согласно этому тесту мутации попарно испытывают в гетерозиготе в двух конфигурациях: цис – когда обе мутации в гибриде происходят от одного родителя, и транс – когда они поступают в гибрид от разных родителей (рисунок 3). ес Рисунок 3 – Цис - транс тест по картированию мутаций П ол Согласно С. Бензеру, если цис- и транс-гетерозигота имеют одинаковый (дикий) фенотип, то мутации затрагивают разные единицы функций, а если цис- и транс-гетерозиготы разного фенотипа (цис – дикий, а транс – мутантный), то мутации затрагивают одну единицу функции, которую он предложил называть цистроном. Следующим важным этапом в изучении организации генетического материала было подразделение всех генов на два типа: регуляторные гены – детерминируют строение регуляторных белков (репрессоров) и структурные гены – кодируют строение остальных полипептидных цепей. Эта идея, а также ее экспериментальное доказательство были разработаны французскими исследователями Ф. Жакобом и Ж. Моно. 2. Экзонно-интронная структура гена. При изучении первичной структуры, т.е. последовательности нуклеотидов, ряда генов выяснилось, что в них, имеются участки, которые ничего не кодируют, т.е. они подобно межгенным спейсерам (участкам между генами) не содержат генетической информации. Группы ученых, возглавляемых Р. Робертсом и П. Шарпом, обнаружили такие расщепленные гены у аденовируса 2 в 1977 г. Не кодирующие участки получили название интронов, кодирующие – экзонов. Экзоны – участки ДНК, несущие генетическую информацию и Полесский государственный университет 109 Генетика с основами биометрии отвечающие за синтез определенных участков белков. Такой тип структурной организации обнаружен для множества генов, локализованных в хромосомах эукариот, для некоторых генов внутриклеточных органелл эукариот – пластид и митохондрий, а также для генов нескольких РНК-содержащих и ДНК-содержащих вирусов, поражающих эукариот. Количество экзонов, приходящихся на один ген, как правило, коррелирует с размером самого гена (таблица 1). Средний размер экзонов (Кб) Количество интронов 0,1 2 0,05 1 0,02 Инсулин 1,4 3 0,155 2 0,48 1,6 3 0,15 2 0,49 18 14 0,137 13 1,1 31 118 0,077 117 0,19 41 29 0,122 28 0,9 90 26 0,096 25 3,5 Фактор VIII 186 26 0,375 25 7,1 Дистрофин 2400 79 0,18 78 30,0 Сывороточный альбумин КолагенVII типа Комплемент C3 П ол Фенилаланингидроксилаза ес β-Глобин Средний размер Количество экзонов тРНКТир Генный продукт ГУ Размер гена (Кб) интронов (Кб) Таблица 1 – Количество и размер экзонов и интронов в некоторых генах человека. Так, ген инсулина, размер которого равен 1,4 Кб, имеет всего три экзона, а ген коллагена VII типа, длина которого 31 Кб, содержит 118 экзонов. Исследование экзов у 10 наиболее изученных модельных объектов показало, что у эукариот в среднем один ген содержит 3,7 интрона на 1 т.п.н. кодирующего участка ДНК. У низших эукариот, таких как дрожжи, 95% генов содержат только один экзон, значит, такие гены не прерываются интронами. У дрозофилы таких генов всего 17%, а у млекопитающих – 6%. Размер экзонов мало зависит от длины гена и в среднем равен 170 парам оснований. Однако и здесь возможны вариации. Например, известны очень длинные экзоны: экзон 11 гена BRCA1 рака молочной железы имеет длину 3,4 Кб, а экзон 26 гена apoB – 7,6 Кб. Экзоны имеют, как правило, небольшую длину. Интроны – участки ДНК, которые не несут генетической информации, относящейся к синтезу белка, кодируемого данным геном. У бактерий интронов в генах нет. Нет интронов и в генах вирусов, Полесский государственный университет 110 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ поражающих бактерии. Число и внутригенная локализация интронов характерны для каждого гена, что становится очевидным в результате сравнения организации гомологичных генов у разных видов. Некоторые гены содержат только один-два интрона, но часто их значительно больше. Так, например, в гене овальбумина курицы 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы их 13, а один из генов коллагена курицы имеет даже 51 интрон (рисунок 4). Рисунок 4 – Примеры генов с различным числом интронов У человека известно лишь немного генов, которые лишены интронов (таблица 2). Главным образом это митохондриальные гены и несколько групп ядерных генов: гены гистонов, гены малых РНК, гены гормональных рецепторов, процессированные копии интрон-содержащих генов и некоторые другие. В большинстве же своем гены человека имеют мозаичную структуру, т. е. состоят из экзонов и интронов. Таблица 2 – Непрерывающиеся гены человека Группа генов Гены митохондриального генома Гены гистонов Гены малых РНК Гены гормональных Примеры Все 37 генов митохондриального генома. Все гены гистонов. Большинство генов тРНК, гены 5S-РНК, 7SL-РНК, 7SK-РНК и гены всех типов U-РНК. Гены рецепторов допамина D1 и D5, ген рецептора Полесский государственный университет 111 Генетика с основами биометрии серотанина 5НТ1B, ген рецептора 1 типа ангиотензинаII, ген рецептора формил пептида, ген рецептора брадикининаB2, ген α2-адренергического рецептора. Процессированные копии мозаичных генов Ген фосфоглицераткиназыPGK2, ген глицеролкиназы GK, ген MYCL2, ген PDHA2 субъеденицы E1αпируватдегидрогеназы, ген глютаматдегидрогеназы GLUD2. Гены интерферонов Другие гены Ген иетерферона α, ген интерферона β. Ген тромбомодулина, гены SRY, многие гены SOX, ген XIST. ГУ рецепторов П ол ес Длина интрона может быть разной – от нескольких десятков пар нуклеотидов до многих тысяч. Общая длина всех интронов часто значительно превышает суммарную длину экзонов. К примеру, из приблизительно 7 т.п.н., образующих ген овальбумина, на долю экзонов приходится всего 1872 п.н, т.е. почти, 3/4 длины составляют интроны. Исследования показывают, что только 1% ДНК генома приходится на экзоны и 24% – на интроны, при этом размер гена (экзоны + интроны) составляет около 28 т.п.н. Интроны транскрибируются наравне с экзонами, так что про-мРНК содержит участки, транскрибированные как с экзонов, так и с интронов. В дальнейшем в ходе процессинга, происходящего в ядре, участки про-мРНК, соответствующие интронам, вырезаются, а бывшие разобщенными участки, считанные с экзонов, «сращиваются», и зрелая мРНК содержит только транскрипты экзонов. Эти прежде разобщенные участки соединяются в нужном порядке. Интроны всегда (установлено для генов, кодирующих белки) имеют на 5'-конце пару последовательностей СТ, а на 3'-конце – AG. Последовательности нуклеотидов в экзонах консервативны, а в интронах сильно варьируют. Иногда экзон одного гена может быть гомологичным экзону даже другого гена. Например, два β-глобиновых гена мыши имеют по три гомологичных экзона в каждом гене. Между интронами этих генов гомология не найдена, по-видимому, из-за того, что интроны эволюционируют значительно быстрее, чем экзоны. При сравнении последовательностей нуклеотидов в одних и тех же генах у разных видов находят большую гомологию в экзонах. Разные экзоны в пределах гена не только различаются по составу кодируемых ими аминокислот, но и имеют определенные структурные особенности. Например, в геноме человека обнаружено 30-45 тыс. так называемых CpG-островков. Это тяжи неметилированной ДНК с высоким содержанием динуклеотидов CpG. Чаще всего они располагаются в районах Полесский государственный университет 112 Генетика с основами биометрии П ол Рисунок 5 - ес ГУ стартовых точек транскрипции. Вероятность найти CpG-островки в первых экзонах генов человека в 13 раз выше, чем в интронах, и в два раза выше, чем в других экзонах. Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается. И те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями, а также терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается. Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу – оперон (рисунок 5). В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. Рисунок 5 – Строение генов у прокариот С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула иРНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков синтезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка. Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона – регуляторы. Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор. Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся. Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько Полесский государственный университет 113 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ молекул одного белка. У эукариот практически не встречается объединение генов в опероны. Однако кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки – экзоны, и нетранслируемые участки – интроны (рисунок 6). С каждого гена сначала синтезируется не зрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны. После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок. Такая организация генов позволяет, например, осуществить процесс альтернативного сплайсинга, когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что гены эукариот и гены прокариот имеют ряд отличительных особенностей (рисунок 7). Рисунок 6 – Строение генов у эукариот Рисунок 7 – Сравнение строения генов прокариот и эукариот Полесский государственный университет 114 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 3. Сплайсинг и альтернативный сплайсинг Сплайсинг – процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе обработки РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании матричной или информационной, РНК (мРНК) у эукариот, при этом путем биохимических реакций с участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную последовательность участки – экзоны. Таким образом, не зрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки (рисунок 8). Рисунок 8 – процесс альтернативного сплайсинга Большинство генов прокариот, кодирующих белки, не имеют интронов, поэтому у них сплайсинг пре-мРНК встречается редко. У представителей эукариот, бактерий и архей встречается также сплайсинг транспортных РНК (тРНК) и других не кодирующих РНК. Сплайсинг осуществляется сплайсосомой – массивной структурой, в состав которой входит 5 малых ядерных нуклеопротеидных частиц (snRNP) – U1, U2, U4, U5 и U6 (U3 не участвует в сплайсинге) – из-за большого количества вспомогательных белков. Вместе они способны точно распознать сайты сплайсинга и катализировать 2 шага реакции сплайсинга. Пре-мРНК некоторых генов эукариот могут подвергаться альтернативному сплайсингу. Альтернативный сплайсинг – это образование разных мРНК из одной и Полесский государственный университет 115 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ той же пре-мРНК, синтезированной с одного гена. Большинство генов в эукариотических геномах содержат экзоны и интроны. После транскрипции в процессе сплайсинга интроны удаляются из пре-мРНК, а вот экзон может включаться (или нет) в состав конечного транскрипта. Таким образом, с помощью альтернативного сплайсинга можно получить множество транскриптов, а, следовательно, и белков. Объединение различных сайтов сплайсинга позволяет индивидуальным генам экспрессировать множество мРНК, которые кодируют белки, порой, с антагонистическими функциями. Экзон одного варианта сплайсинга может оказаться интроном в альтернативном пути. Разные варианты сплайсинга могут приводить к образованию разных изоформ одного и того же белка. Предположительно у эукариот альтернативный сплайсинг может быть важным эволюционным достижением: повысилась эффективность хранения информации. Недавно было показано, что у примерно 95% мультиэкзонных генов человека наблюдается альтернативный сплайсинг. Геном круглого червя Caenorhabditiselegans по количеству генов практически не отличается от генома человека, однако альтернативному сплайсингу подвергаются премРНК только 15% генов. Таким образом, альтернативный сплайсинг позволяет увеличить разнообразие белковых продуктов генов, сохраняя при этом относительно небольшое количество различных генов в геноме и не создавая избыточных копий генов. Разные варианты альтернативного сплайсинга одной пре-мРНК могут осуществляться в разные периоды развития организма и в разных тканях, а также у разных особей одного вида. Существует несколько механизмов альтернативного сплайсинга: 1. Пропуск экзона или экзонной кассеты: в этом случае экзон может вырезаться из первичного транскрипта или сохраняться в нем. Это наиболее часто используемый механизм у млекопитающих; 2. Взаимоисключающие экзоны: из двух экзонов в конечном транскрипте сохраняется только один; 3. Использование альтернативного донорного сайта: есть несколько альтернативных 5'-участков сплайсинга (донорных сайтов), что изменяет 3'границу вышележащего (upstream) экзона; 4. Использование альтернативного акцепторного сайта: используются разные 3'-участки сплайсинга (акцепторные сайты), что меняет 5'-границы нижележащего (downstream) экзона. 5. Удержание интрона: интрон сохраняется в последовательности транскрипта. Если интрон находится в кодирующей последовательности, то он может кодировать стоп-кодон или же сдвигать рамку считывания. А это может привести к потере функциональности белка, поэтому данный механизм альтернативного сплайсинга используется крайне редко у млекопитающих. Помимо описанных основных механизмов альтернативного сплайсинга Полесский государственный университет 116 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ существует еще 2 других механизма, благодаря которым разные мРНК могут получаться из одного гена: множественные промоторы и множественные сайты полиаденилирования. Транскрипция может начинаться с разных точек. В результате получаются транскрипты с разными экзонами на 5’-конце (множественные промоторы). Множественные сайты полиаденилирования обеспечивают разные 3’-концы для транскрипта. Оба механизма найдены в комбинации с альтернативным сплайсингом и добавляют разнообразия в типы мРНК, полученных от одного гена (рисунок 9). Рисунок 9 – Механизмы альтернативного сплайсинга Полесский государственный университет 117 Генетика с основами биометрии 4.5 ТРАНСКРИПЦИЯ ПЛАН 1. Этапы биосинтеза РНК. 2. Транскрипция. 3. Организация промоторных и терминаторных участков у про- и эукариот. 4. Процессинг первичных транскриптов у эукариот. 5. Обратная транскрипция. П ол ес ГУ 1. Этапы биосинтеза РНК Одним из важных процессов пластического обмена является биосинтез белка. Он протекает во всех клетках. Аминокислотная последовательность в молекуле белка зашифрована в виде нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК и называется генетическим кодом. Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез одного белка, называется геном. Для биосинтеза белка необходима генетическая информация молекулы ДНК. Информационная РНК – переносчик этой информации из ядра к месту синтеза. Рибосомы – органоиды, где происходит синтез белка, набор аминокислот в цитоплазме; транспортные РНК, кодирующие аминокислоты и переносящие их к месту синтеза на рибосомы. АТФ – вещество, обеспечивающее энергией процесс кодирования и биосинтеза. Выделяют следующие этапы биосинтеза: Транскрипция – процесс биосинтеза всех видов РНК на матрице ДНК, который протекает в ядре. Определенный участок молекулы ДНК деспирализуется, водородные связи между двумя цепочками разрушаются под действием ферментов. На одной цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарное из нуклеотидов синтезируется РНК-копия. В зависимости от участка ДНК таким образом синтезируются рибосомные, транспортные, информационные РНК. После синтеза иРНК она выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка – на рибосомы. Биосинтез белка состоит из ряда реакций: активирование и кодирование аминокислот. тРНК имеет вид клеверного листа, в центральной петле которого располагается триплетный антикодон, соответствующий коду определенной аминокислоты и кодону на иРНК. Каждая аминокислота соединяется с соответствующей тРНК за счет энергии АТФ. Образуется комплекс тРНК-аминокислота, который поступает на рибосомы; образование комплекса иРНК-рибосома. иРНК в цитоплазме соединяется рибосомами на гранулярной ЭПС; Полесский государственный университет 118 Генетика с основами биометрии ГУ сборка полипептидной цепи, тРНК с аминокислотами по принципу комплементарности антикодона с кодоном соединяются с иРНК и входят в рибосому. В пептидном центре рибосомы между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, а освободившаяся тРНК покидает рибосому. При этом иРНК каждый раз продвигается на один триплет, внося новую тРНКаминокислоту и вынося из рибосомы освободившуюся тРНК. Весь процесс обеспечивается энергией АТФ. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полисому, где идет одновременно синтез многих молекул одного белка. Синтез заканчивается, когда на иРНК начинаются бессмысленные кодоны (стоп-коды). Рибосомы отделяются от иРНК, с них снимаются полипептидные цепи. Так как весь процесс синтеза протекает на гранулярной эндоплазматической сети, то образовавшиеся полипептидные цепи поступают в канальце ЭПС, где приобретают окончательную структуру и превращаются в молекулы белка; Все реакции синтеза катализируются специальными ферментами с затратой энергии АТФ. Скорость синтеза велика и зависит от длины полипептида. П ол ес 2. Транскрипция Все процессы, которые происходят в клетке возможны благодаря синтезу белков. А синтез белков возможен благодаря существованию РНК. РНК синтезируется ферментом ДНК- полимеразой. Транскрипция – синтез всех типов РНК по матрице ДНК, который осуществляется ферментом ДНК- полимеразой. В основе транскрипции лежит принцип комплементарности азотистых оснований полинуклеотидных цепей ДНК и РНК, а сам процесс осуществляется с участием соответствующих ферментов РНК-полимераз, и большой группы белков – регуляторов транскрипции. Типы, синтезируемые РНК: мРНК; рРНК; тРНК; малые ядерные РНК; некодирующие РНК, предназначенные для синтеза теломерных концов хромосомы, инактивации Х- хромосомы, транспорта белков из ядра в цитоплазму. Общая характеристика процесса транскрипции: 1. Транскрибируется только одна нить в молекуле ДНК. 2. Синтез цепи РНК идет в направлении 5′ → 3′ (рисунок 1). 3. РНК синтезируется комплементарно и антипараллельно транскрибируемой нити ДНК. Полесский государственный университет 119 Генетика с основами биометрии 4. В связанном с ДНК состоянии постоянно находится не более 9-10 нуклеотидов. 5. Свободный 5′ - конец РНК в ходе синтеза отделяется. 6. В ДНК в расплетенном состоянии постоянно находится не более 18-20 нуклеотидов. ГУ Рисунок 1 − Синтез цепи РНК и ДНК П ол ес Строящаяся цепь РНК имеет направление 5′-3′, т.е. нуклеотиды у этой цепи присоединяются к 3′ концу. По отношению к матричной цепи ДНК строящаяся цепь РНК антипараллельна, поэтому она транскрибируется ферментом в направлении 3′ →5′. Смысловая цепь ДНК (5′) – ТТЦ-АГТ-ЦАГ-ГАЦ-ГАТ-АЦТ – (3′) Матричная цепь ДНК (3′) − ААГ-ТЦА-ГТЦ-ЦТГ-ЦТА- ТГЦ − (5′) ↓ ТРАНСКРИПЦИЯ Матричная РНК (5′) – УУЦ- АГУ-ЦАГ-ГАЦ-ГАУ-АЦГ – (3′) ↓ ТРАНСЛЯЦИЯ Пептидная цепь белка (NH2) = Фен- Сер-Гло-Асп-Асп=(СООН) Схема Принцип записи и реализации генетической информации Механизм транскрипции состоит из 4 этапов: Узнавание промотора. Инициализация. Элонгация. Терминация (рисунок 2). Инициация – образование фосфодиэфирной связи между двумя рибонуклеотидами. Элонгация – последовательное удлинение растущей цепи РНК. Терминация (окончание транскрипции) определяется особой нуклеотидной последовательностью ДНК. Транскрипция ДНК происходит в определенных участках молекулы – транскриптонах. Транскриптон ограничен последовательностью ДНК – зоной начала транскрипции, которая называется промотором и зоной остановки транскрипции- терминатором. Процесс транскрипции обеспечивает фермент ДНК – зависимая РНКполимераза. У бактерий синтез мРНК, рРНКи Трнк осуществляется одной и той же РНК-полимеразой. Общее количество молекул этого фермента в клетках Е.coli может достигать около 7000. Наиболее полно изучена РНКполимераза E.coli, структура которой аналогичны структуре этого фермента у Полесский государственный университет 120 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ других бактерий. Процесс транскрипции и его ферментативного обеспечения более подробно изучены у прокариот, РНК-полимеразы которых представляют собой сложные белки, состоящие из нескольких субъединиц. Хорошо изучен полный фермент РНК-полимеразы E.coli. Его структуры составляют пять полипептидных субъединиц: две альфацепи, одну бета- и одну бета-штрих-цепи, а также сигма-цепи. Холофермент РНК-полимераза способна узнавать промоторную область в оперонах бактерий и инициировать процесс транскрипции. Главными составляющими элементами процесса транскрипции являются: РНК-полимераза + НТФ + ДНК-матрица=РНК+ ДНКматрица + ФФн (рисунок 3). Рисунок 2 – Этапы транскрипции Рисунок – 3 Элементы транскрипции Полесский государственный университет 121 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 3. Организация промоторных и терминаторных участков у про- и эукариот У прокариотических организмов процессы транскрипции и трансляции сопряжены, синтез всех типов РНК осуществляет фермент – РНК-полимераза. У эукариотов процесс транскрипции и трансляции разобщены – синтез РНК происходит в ядре, а белка – в цитоплазме. Синтез РНК осуществляют три типа ядерных РНК-полимераз: РНК-полимераза I – Ррнк (28S,18S,5,8S); РНК-полимераза II – мРНК; РНК-полимераза III – Трнк и 5S РНК. Также имеются митохондриальные и хлоропластные РНК-полимеразы. Скорость транскрипции у эукариот 20 нуклеотидов в секунду, а у прокариот 42–50 нуклеотидов в секунду. Размеры синтезированной РНК у прокариот от 1000–1500 (отдельные гены) до 10–15 тыс. нуклеотидов, у эукариот отдельные гены от 1000 до 2,4 млн. нуклеотидов. РНК-полимераза прокариот РНК-полимераза E.coli – белок, имеющий четвертичную структуру. Одновременно в клетке присутствует около 7000 молекул РНК-полимеразы. Субъединичный состав РНК-полимеразы E.coli: 2αββδώ –holo- фермент (полный фермент) 2αββώ –cope-фермент (150*115*110А) Без δ-фактора это cope-фермент, δ- фактор- сменный фактор специфичности (δ70, δ28, δ54 и др.). Две α-субъединицы – каркас РНК-полимеразы. К ним крепятся остальные субъединицы. β′-субъединица отвечает за прочное связывание с ДНК за счет кластера положительно заряженных аминокислот. β-субъединице находятся два каталитических центра. Один отвечает за инициацию, а другой за элонгацию РНК-цепи. Один центр работает в holo-, а другой в cope-ферменте. Σ-субъединица играет главную роль в инициации транскрипции, будучи прямо вовлеченной в узнавание промотора и плавление ДНК. В клетках E.coli имеется семь различных σ-факторов. Каждый из них обеспечивает узнавание промоторов с определенными последовательностями. В экспоненциальной фазе роста более 90% молекул холофермента в клетке содержит субъединицу σ70 (рисунок 4). Полесский государственный университет 122 Генетика с основами биометрии Рисунок 4 − Схема ДНК ес ГУ РНК-полимераза бактерий состоит из 5 субъединиц – (кор-фермент) 2α, β, β′ ώ + σ-фактор (полный holo-фермент). На рисунке показано, что РНКполимераза переводит ДНК из В-формы в А-форму (рисунок 5). П ол Рисунок 5− Схема РНК-полимеразы В ней плоскости азотистых оснований не перпендикулярны оси спирали, а наклонены на 20 градусов к перпендикуляру. Это делает легче «выворачивание» двух соседних азотистых оснований в цепи ДНК для того, чтобы напротив них встали комплементарные нуклеотиды РНК (рисунок 6). Рисунок 6 − Строение РНК-полимеразы прокариот Полесский государственный университет 123 Генетика с основами биометрии ес ГУ Существует 4 типа РНК-полимераз у эукариот (из них 3 – ядерные, 1 – митохондриальная). РНК pol I – синтезирует три типа рРНК (28S, 18S, 5, 8S); PHK Pol II – синтезирует мРНК и малые ядерные РНК; РНК Pol III – синтезирует тРНК и 5S-РНК. РНК-полимеразы эукариот имеют большую молекулярную массу и представляют собой комплекс мультимерных белков (500–700 Кд). От 14 до 17 субъединиц в зависимости от типа полимеразы. РНК-полимеразы различаются количеством субъединиц, их аминокислотным составом, а также зависимостью от катионов магния и марганца. Для РНК-полимераз I и III необходимое соотношение [Mn2+]/[Mg2+]=2. Для РНК-полимеразы II – [Mn2+] / [Mg2+] = 5. Наиболее заметное различие- чувствительность к α-аманитину (токсин бледной поганки). Он полностью подавляет работу РНК-полимеразы II в концентрации 10-8 М и РНК-полимеразы III. РНК-полимераза I почти не чувствительна к этому токсину. Кроме ядерных РНК-полимераз у эукариот есть еще РНК-полимеразы хлоропластов и митохондрий. Они кодируются в ядре, а не в соответствующих органеллах. П ол 4. Процессинг первичных транскриптов у эукариот Процессинг РНК – совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичного транскрипта в зрелую РНК. В зависимости от типа РНК (матричные, рибосомные, транспортные, малые, ядерные) их предшественники подвергаются разным последовательным модификациям. Кэпирование представляет собой присоединение к 5′ концу транскрипта 7- метилгуанозина через необычный для РНК 5′, 5′ − трифосфатный мостик, а также метилирование остатков рибозы двух первых нуклеотидов. Процесс кэпирования происходит во время синтеза молекулы мРНК. Полиаденилирование представляет фермент полимераза, который присоединяет 3′ концу транскрипта от 100 до 200 остатков адениловой кислоты. Сплайсинг – вырезание протяженных внутренних участков мРНК и ковалентное воссоединение оставшихся фрагментов через обычную фосфодиэфирную связь. Редактирование РНК – процесс, в котором информация, содержащаяся в молекуле РНК, изменяется путем химической модификации оснований. Метилирование – это модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК. Полесский государственный университет 124 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 5. Обратная транскрипция Обратная транскрипция – это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Этот процесс называется обратной транскрипцией так как передача генетической информации происходит в обратном направлении. Обратная транскриптаза – фермент, который катализирует синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией. Обратная транскрипция необходима для осуществления жизненного цикла ретровирусов, например, вирусов иммунодефицита человека и T-клеточной лимфомы человека типов 1 и 2. После попадания вирусной РНК в клетку обратная транскриптаза, содержащаяся в вирусных частицах, синтезирует комплементарную ей ДНК, а затем на этой цепи ДНК, как на матрице, достраивает вторую цепь (рисунок 7). Рисунок 7 − Обратная транскрипция Ретровирусы − это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса. Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3'-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК. Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится Полесский государственный университет 125 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ комплементарная. Образованная молекула ДНК длиннее РНК Некоторые вирусы (такие как ВИЧ, вызывающий СПИД), имеют возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединено с геномом клетки-хозяина. Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК (кДНК) из вирусного генома. Ассоциированный фермент рибонуклеаза H расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. Результатом является синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином, которые образуют новые вирусы при митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам. Полесский государственный университет 126 Генетика с основами биометрии 4.6 ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД И ТРАНСЛЯЦИЯ ПЛАН 1. Генетический код. 2. Составляющие элементы и стадии трансляции. ГУ 1. Генетический код Гетеросинтетическая функция гена – передача генетической информации от ДНК к иРНК и далее к белку. Этот процесс протекает при биосинтезе белка во всех клетках. Генетический код – это систематизированная запись генетической информации в виде определенной последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК или иРНК (таблица 1). П ол ес Таблица 1 – Соответствие кодонов иРНК аминокислотам (генетический код) с Третье Первое Второе У Ц А Г У Фен Фен Лей Лей Ц Сер Сер Сер Сер У А Тир Тир Нонсенс* Нонсенс* Г Цис Цис Нонсенс* Три У Лей Лей Лей Лей Ц Про Про Про Про Ц А Гис Гис Гис Гис Г Арг Арг Арг Арг У Иле Иле Иле Мет Ц Тре Тре Тре Тре А А Асн Асн Лиз Лиз Г Сер Сер Арг Арг У Вал Вал Вал Вал Ц Ала Ала Ала Ала Г А Асп Асп Глу Глу Г Гли Гли Гли Гли мПримечание: * – кодоны-терминаторы Свойства генетического кода: триплетность – одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами – триплетом (кодоном). Первое Полесский государственный университет 127 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ предположение о строении генетического кода пренадлежит Георгию Гамову. В 1954 г. он предположил, что информацию в молекулах ДНК кодируют сочетания нескольких нуклеотидов. Очевидно, что однозначного соответствия «1 нуклеотид – 1 аминокислота» в коде быть не может, так как в этом случае было бы лишь 4 аминокислоты. Количеству известных аминокислот не соответствует и дуплетный код «2 нуклеотида – одна аминокислота» – было бы 16 аминокислот. Лишь триплетный код может шифровать 20 различных аминокислот. Четыре нуклеотида в случае триплетного кода дают 64 варианта триплетов. Экспериментально это свойство генетического кода было доказано Ф. Криком и С. Бреннером в 1957 г. на примере бактериофага Т4 и бактерий E.coli. универсальность – независимо от вида одна и таже аминокислота кодируется одинаковым триплетом. Это свойство подтверждает единство происхождения всего многообразия живых форм на Земле. Отличия генетического кода обнаружены у митохондрий и пластид, что указывает на дивергентность эволюции кода на ранних этапах существования жизни. Для ДНК митохондрий каждого вида характерны некоторые отклонения от генетического кода. неперекрываемость и отсутствие разделительных знаков внутри гена при наличии их между генами. Важнейшие характеристики генетического кода – непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании. Это означает, что триплеты считываются без пропусков и без перекритий между соседними триплетами. То есть каждый отдельный нуклеотид принадлежит лишь одному триплету при заданной рамке считывания. В качестве доказательства неперекрываемости генетического кода можно рассматривать замену только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. При включении нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена сопровождалась бы заменой нескольких соседних аминокислот в пептидной цепи. вырожденность (избыточность) – одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами. Важность этого свойства заключается в том, что при мутационных изменениях молекулы ДНК типа замены одного нуклеотида на другой часто изменяется смысл триплета. При этом новый триплет часто кодирует ту же самую аминокислоту, а это повышает запас прочности генетического кода в случае возникновения генных мутаций. однонаправленность – информация с кодирующей цепочки ДНК считывается только по направлению от 3'-конца к 5'-концу. В конце всех генов имеются специальные триплеты, называемые стопкодонами: в ДНК: АТТ, АТЦ, АЦТ; в РНК: УАА, УАГ, УГА. Полесский государственный университет 128 Генетика с основами биометрии В обоих случаях стоп-кодоны считывания информации на рибосоме. сигнализируют о прекращении П ол ес ГУ 2. Составляющие элементы и стадии трансляции Трансляция – перевод последовательности нуклеотидов в молекуле иРНК в последовательность аминокислот в полипептидной цепочке. Это второй этап белкового синтеза, на котором отдельные аминокислотные остатки поликонденсируются по направлению от аминоконца полипептидной цепи к карбоксильному концу. Cоставляющие элементы трансляции: аминокислоты; тРНК; мРНК; рибосомы; ферменты для аминоацилирования тРНК; белковые факторы трансляции, представленные белковыми факторами инициации, элонгации, терминации – специфическими внерибосомными белками, обеспечивающими трансляцию; АТФ и ГТФ – источники энергии; ионы магния, стабилизирующие структуру рибосом. В процессе трансляции участвует 20 аминокислот. Для каждой из которых в клетках имеется фермент, осуществляющий синтез соответствующей аминоацил-тРНК (общее название – аминоацил-тРНКсинтетаза). Молекула тРНК имеет вторичную структуру и напоминает листок клевера. Такая конфигурация является следствием установления водородных связей между некоторыми комплементарными нуклеотидами. Размер тРНК примерно 80 нуклеотидов (рисунок 1). На концах молекулы расположены два активных центра. Первый активный центр – триплет свободных нуклеотидов, который называется антикодоном. Он соответствует определенной аминокислоте. Второй активный центр (акцепторный стебель) – противоположный антикодону участок, которому прикрепляется аминокислота. На 5'-конце этого центра молекулы тРНК всегда находится гуанин (Г), а на 3'-конце – триплет ЦЦА. Процесс узнавания тРНК своей аминокислоты называется рекогницией. Каждая аминокислота присоединяется к одной из своих специфических тРНК при участии ферментов аминоацил-тРНК-синтетазы и АТФ. В результате активируются аминокислоты и образуется комлекс, включающий аминокислоты и тРНК – аминоацил-тРНК. В данном комплексе энергия связи между концевым нуклеотидом А (в триплете ЦЦА) и аминокислотой достаточно для образования в дальнейшем пептидной связи. Полесский государственный университет 129 Генетика с основами биометрии Акцепторный участок Участки образования водородных связей между парами нуклеиновых оснований ГУ Т-петля D-петля ес Вариабельная петля П ол Антикодоновая петляМодифицированный пурин Рисунок 1 – Последовательность дрожжевой аланиновой тРНК Ф. Криком были сформулированы положения, совокупность которых известна под названием гипотезы «качания» (wobble): 3′- основание кодона мРНК имеет нестрогое спаривание с 5′основанием антикодона тРНК: например, У (мРНК) может взаимодействовать с А и Г (тРНК); некоторые тРНК могут спариваться с более чем одним кодоном. Рибососма − немембранный органоид живой клетки, служащий для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). Этот процесс называется трансляцией. Рибосомы имеют сферическую или слегка эллипсоидную форму и состоят из большой и малой субъединиц (рисунок 2). Каждая субъединица построена из рибосомной РНК и белков. Рибосомы и их субъединицы обычно классифицируют не по массам, а в соответствии с коэффициентами седиментации. Коэффициент седиментации полной эукариотической рибосомы составляет около 80 единиц Сведберга (80S), а ее Полесский государственный университет 130 Генетика с основами биометрии субчастиц − 40S и 60S. Рисунок 2 – Большая и малая субъединицы рибосомы ГУ Рибосомы прокариот имеют сходную структуру, но они несколько меньше, чем эукариотические (коэффициенты седиментации полной рибосомы – 70S, а субчастиц – 30S и 50S) (таблица 2). Таблица 2 – Структура рибосом про- и эукариотических организмов 21 белок П ол 34 белка Эукариотическая рибосома 80S 60S 40S 5S; 5,8S и 28S 18S рРНК рРНК не менее 50 не менеее 33 белков белков ес Прокариотическая рибосома 70S 50S 30S 5S и 23S 16S рРНК рРНК Стадии трансляции: инициация (начало трансляции) заключается в объединении малой субъединицы рибосомы, инициирующего триплета иРНК (АУГ), расположенного на ее 5'-конце, и определенной последовательности нуклеотидов, отвечающих за связь с рибосомой, аминоацил-тРНК и большой субъединицы рибомомы. У бактерий E.coli на стадии инициации в процессе трансляции участвуют три белковых фактора: IF-3-фактор прикрепляется к 30S-субчастице рибосомы и способствует его взаимодействию с мРНК; F-1-фактор закрывает А-сайт на 30S-субчастице рибосомы, обеспечивая тем самым посадку первой fMet-tRNAfMet на Р-сайт рибосомы и защищая Асайт от посадки какой-либо другой нагруженой аминокислотой тРНК; IF-2-фактор – небольшой ГТФ связывающий белок, который в форме IF-2-ГТФ прикрепляется к нагруженой метионином fMet-tRNAfMet и помогает ей сесть на рибосому. Полесский государственный университет 131 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Следует отметить, что IF-3 помогает tRNAfMet правильно осуществить взаимодействие с инициирующим кодоном АУГ на мРНК. Гидролиз ГТФ происходит в результате приклепления большой субъединиц рибосомы к малой, что приводит к диссоциации IF-2-ГДФ и диссоциации IF-1. Таким образом, большая субъединица рибосомы служит как «ГТФ-аза активирующий белок» для IF-2. В результате слияния двух субъединиц рибосомы мРНК оказывается в канале, который образуется между ними: элонгация (процесс трансляции) включает реакции от образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты к молекуле полипептида. В это время рибосома помещается от первого до последнего кодона на иРНК. Для быстрого протекания элонгации необходимы специальные факторы: ЕF1, EF2 и ГТФ. После инициации первая тРНК с метионином расположена в пептидном центре, аминоацильный центр свободен. В аминоацильный центр поступает вторая тРНК со своей аминокислотой. Таким образом, в каждый данный момент внутри рибосомы находятся два кодона иРНК: один напротив аминоацильного центра, второй напротив пептидильного центра, в которых располагается соответствующие тРНК с аминокислотами. Между первой и второй аминокислотами устанавливается пептидная связь. Рибосома продвигается на один триплет по ходу иРНК. Первая тРНК отсоединяется от иРНК и своей аминокислоты и уходит за следующей аминокислотой, а вторая тРНК со своей аминокислотой попадает в пептидильный центр. В это время в аминоацильный центр поступает третья тРНК с аминокислотой, и цикл повторяется. Таким образом, полипептидная молекула собирается в полном соответствии с информацией, записанной на иРНК. терминация (конец трансляции) обусловлена наличием терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), которые прекращают синтез белка. К аминоацильному центру присоединяется специфический белок – release factor (фактор освобождения). При этом рибосома диссоциирует на две субъединицы, иРНК высвобождается, тРНК отсоединяется от белка. Регуляция синтеза белка у эукариот может осуществляться на уровне транскрипции и трансляции. Регуляторную функцию выполняют ядерные белки (гистоны). Их молекулы заряжены положительно и легко связываются с отрицательно заряженными фосфатами, влияя на транскрипцию определенных генов с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Модификации гистонов ослабляют их связь с ДНК и облегчают транскрипцию. Кислые негистоновые белки, связываясь с определенными участками ДНК, также облегчают транскрипцию. Регулируют транскрипцию и низкомолекулярные ядерные РНК, которые находятся в комплексе с белками и могут избирательно включать гены. Усиливают синтез белка различные анаболитические стероиды, Полесский государственный университет 132 Генетика с основами биометрии инсулин, предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Ингибиторами синтеза белка являются антибиотики, некотрые противоопухолевые препараты, модифицированные азотистые основания и нуклеозиды (таблица 3). П ол ес ГУ Таблица 3 – Ингибиторы синтеза белка прокариот и эукариот Ингибитор Механизм действия Ингибиторы трансляции прокариот ингибирует транслокацию большой Эритромицин субъединицы Стрептомицин ингибирует инициацию синтеза белка ингибирует связывание аминоацилТетрациклин тРНК с малой субъединицой рибосомы Неомицин действие аналогично стрептомицину ингибирует действие Хлорамфеникол пептидилтрансферазы Ингибиторы трансляции эукариот ингибирует действие Циклогексамид пептидилтрансферазы эукариот инактивируе действие фактора Дифтерийный токсин элонгации эукариот еЕF-2 препятствует транслокации пептида, Пуромицин происходит ранняя терминация у прои эукариот обнаружен в бобах, катализирует Рицин разрезание рРНК большой субъединицы рибосом эукариот Соответствие порядка нуклеотидов в молекуле ДНК порядку в молекуле белка называется колинеарностью. Полесский государственный университет 133 Генетика с основами биометрии 5. ИЗМЕНЧИВОСТЬ И МУТАГЕНЕЗ: 5.1 НАСЛЕДСТВЕННАЯ И НЕНАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ. МУТАЦИИ И ИХ ВИДЫ ПЛАН 1. Классификация изменчивости. Ненаследственная изменчивость и ее типы. ГУ 2. Наследственная изменчивость и ее типы. 3. Мутагены и метагенез. 4. Классификация мутаций на хромосомном уровне. П ол ес 1. Классификация изменчивости. Ненаследственная изменчивость и ее типы Наличие общих видовых признаков позволяет объединять всех людей на земле в единый вид Homo sapiens. Тем не менее, мы без труда, одним взглядом выделяем лицо знакомого человека в толпе незнакомых людей. Чрезвычайное разнообразие людей – как внутригрупповое (например, разнообразие в пределах этноса), так и межгрупповое – обусловлено генетическим их отличием. Любая популяция обнаруживает внешнюю или фенотипическую изменчивость по большинству качественных и количественных признаков. Популяции человека гетерогенны по росту, пигментации кожи, чертам лица, группам крови и многим другим признакам. Более того, расчеты комбинаций генетического материала человека свидетельствуют, что за всю историю человечества на земном шаре не было, нет и в обозримом будущем не встретится генетического повторения, т.е. каждый рожденный человек является уникальным явлением во Вселенной. Неповторимость генетической конституции во много определяет особенности развития заболевания у каждого конкретного человека. Какими же способами достигается бесконечное разнообразие человеческой популяции? В основе всех способов лежит способность организмов приобретать новые свойства в процессе онтогенеза (индивидуального развития от момента оплодотворения до смерти), т.е. изменяться. Изменчивость бывает ненаследственная и наследственная. К ненаследственной относятся онтогенетическая и модификационная изменчивости. Суть онтогенетической изменчивости заключается в том, что фенотип организма меняется на протяжении всей жизни, в то время как генотип не меняется, а происходит лишь переключение генов. Модификационная изменчивость возникает под влиянием средовых Полесский государственный университет 134 Генетика с основами биометрии факторов, однако ее размах определяется генотипом, т.е. генетически обусловленной нормой реакции. Наследственная изменчивость подразделяется на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость связана с перекомбинацией родительских генов. П ол ес ГУ 2. Наследственная изменчивость и ее типы Комбинативная изменчивость возникает в генотипах потомков вследствие случайной перекомбинации аллелей. Сами гены при этом не изменяются, но генотипы родителей и детей различны. Комбинативная изменчивость возникает в результате нескольких процессов: независимого расхождения хромосом в процессе мейоза; рекомбинации генов при кроссинговере; случайной встречи гамет при оплодотворении. Комбинативная изменчивость является главным источником наблюдаемого генетического разнообразия. Известно, что в геноме человека содержится примерно 30–40 тыс. генов. Около трети всех генов имеют более чем один аллель, т. е. являются полиморфными. Однако даже при наличии лишь небольшого числа локусов, содержащих по нескольку аллелей, только при рекомбинации (вследствие перемешивания генных комплексов) возникает колоссальное; множество уникальных генотипов. Так, только при 10 генах, содержащих по 4 аллеля каждый, теоретическое число уникальных диплоидных генотипов составляет 10 миллиардов! Поскольку около одной трети генов в геноме человека являются полиморфными, то только за счет рекомбинации создается неисчерпаемое генетическое разнообразие человека. В свою очередь неповторимость генетической конституции во многом определяет уникальность и неповторимость каждого человека. Мутационная изменчивость обусловлена мутациями – устойчивыми изменениями генетического материала и, соответственно, наследуемого признака. Мутационная изменчивость возникает вследствие мутаций. Мутации – нарушение генетического материала, имеющие стойкий характер и возникающие внезапно, скачкообразно (Де Фриз). 3. Мутагены и метагенез Мутаген – соединение химической, биологической или физической природы, способное прямо или косвенно повреждать наследственные структуры клетки. Мутация – в широком смысле слова внезапно возникающее наследуемое изменение. Другими словами, мутация – любое структурное или Полесский государственный университет 135 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ композиционное изменение в ДНК организма (в последовательности нуклеотидов, хромосом, генома), произошедшее спонтанно или индуцированное мутагенами. По происхождению мутагены можно разделить на экзогенные (многие факторы внешней среды) и эндогенные (образуются в процессе жизнедеятельности организма). По природе возникновения различают: физические, химические и биологические мутагены. К физическим мутагенам относятся: ионизирующие излучения (например, α-, β- и γ-излучения, рентгеновское излучение, нейтроны); радиоактивные элементы (например: радий, радон, изотопы калия, углерода и др.); ультрафиолетовое излучение; чрезмерно высокая или низкая температура. К химическим мутагенам относятся: 1) сильные окислители или восстановители (например, нитраты, нитриты, активные формы кислорода); 2) алкилирующие агенты (например, иодацетамид); 3) пестициды (например, гербициды, фунгициды); 4) некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты); 5) продукты переработки нефти; 6) органические растворители; 7) лекарственные препараты (например,: цитостатики, ртуть содержащие средства, иммунодепрессанты) и другие химические соединения. К биологическим мутагенам относятся: 1) Некоторые вирусы (например, кори, краснухи, гриппа); 2) Продукты обмена веществ (например,: продукты липопероксидации); 3) антигены некоторых микробов и паразитов. К самым широко распространенным мутагенам, с которыми человек непосредственно контактирует в своей повседневной жизни относятся: Пестициды, обладающие исключительно высокой стойкостью к химическому и биологическому разложению; Минеральные и органические удобрения, являющиеся основными поставщиками в окружающую среду нитросоединений – мутагенных и канцерогенных окислов азота, нитратов, нитритов, нитрозаминов и др. Полихлорбифенил, применяющийся в качестве пластификатора, наполнителя, компонента смол, резин, типографских красок, текстильных красителей. Существенным источником мутагенов в окружающей среде являются Полесский государственный университет 136 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ промышленные отходы и всевозможные открытые технологические процессы, подвергающие человека действию различных высокореактивных соединений, в частности алкилирующих. Этому классу соединений характерна высокая реакционная способность, а механизм действия заключается во введении в азотистые основания молекул ДНК метиловых, этиловых и других радикалов. Именно в этом классе соединений обнаружены вещества, обладающие огромной мутагенной силой и относительно не влияющие на жизнеспособность организмов и клеток, названные И.А. Рапопортом супермутагенами. Для создания различных типов аэрозолей, изготовления пластмассовых упаковок, изоляционного материала широко используется винилхлорид, обладающий мутагенными и канцерогенными свойствами. Источником мутагенных соединений являются и некоторые пищевые продукты. Так, при консервировании используются такие мутагены, как: формалин, гексаметилентетралин, ванилин, нитрат калия, нитрат натрия и другие. И, хотя сильных мутагенов в пищевых продуктах не выявлено, проблема заключается в оценке суммарного эффекта от соединений, обладающих слабой и средней мутагенной активностью. Определить малую мутагенную активность трудно, к тому же целый ряд веществ, обладающих мутагенной активностью издавна присутствует в среде (например, кофеин, танин) и запретить их использование невозможно. События, приводящие к возникновению мутаций, называют мутационным процессом (мутагенезом). Различают спонтанный и индуцированный мутагенез. Разделение мутационного процесса на спонтанный и индуцированный в определенной степени условно. Индуцированные мутации – это мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды. Индуцированный мутационный процесс может быть контролируемым (например, в эксперименте с целью изучения механизмов действия и/или их последствий) и неконтролируемым (например, в результате облучения при выбросе радиоактивных элементов в среду обитания). Спонтанные мутации возникают самопроизвольно, в ходе естественного метаболизма клеток и организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов. Спонтанные мутации могут возникать, например, в результате действия химических соединений, образующихся в процессе метаболизма, воздействия естественного фона радиации или УФ-излучения, ошибок репликации и т.д. Спонтанные мутации будут возникать даже в том случае, если удастся исключить влияние факторов внешней среды. Существуют две основные гипотезы, объясняющие происхождение спонтанных мутаций. Первая утверждает, что в системе генотипа, как и во всякой системе, заложена возможность ошибки. Вторая гипотеза объясняет возникновение спонтанных мутаций как стремление популяции к высокой Полесский государственный университет 137 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ степени генетической изменчивости, и как следствие этого разнообразия. Опять мы возвращаемся к понятиям разнообразия и изменчивости популяции, и, по праву, возникает вопрос: «Зачем (для чего) такое разнообразие индивидов в человеческой популяции, если наследственная патология является результатом наследственной изменчивости?». Отрицательный эффект наследственной патологии очевиден и проявляется повышенной летальностью (гибель гамет, зигот, эмбрионов и детей), снижением фертильности (уменьшенное воспроизводство потомства), уменьшением продолжительности жизни, социальной дезадаптацией и инвалидизацией, а также обуславливает повышенную необходимость в медицинской помощи. По данным Всемирной организации здравоохранения генетические факторы обуславливают: 80% интеллектуальной недостаточности; 70% врожденной слепоты; 50% врожденной глухоты; 40–50% спонтанных абортов и выкидышей; 20–30% младенческой смертности. Первым ответ был предложен английским генетиком Дж. Холдейном, который предположил, что высокая степень генетической изменчивости, необходима биологическому виду для того, чтобы иметь возможность приспосабливаться к меняющимся условиям среды. У человека, как и у любого другого биологического вида, нет резкой границы между наследственной изменчивостью, ведущей к нормальным вариациям признаков, и наследственной изменчивостью, обуславливающей возникновение наследственных болезней. Таким образом, продолжая мысль Дж. Холдейна, мы можем утверждать, чем популяция разнообразней, тем она стабильнее и у нее больше шансов выжить и адаптироваться даже к экстремальным условиям среды. Следовательно, люди с особенностями психофизического развития являются необходимой постоянной составной частью разнообразной человеческой популяции, как и все остальные обеспечивающие ее стабильность. 4. Классификация мутаций на хромосомном уровне Ядерные изменения, как правило, делят на 3 основных типа (таблица 1). Изменения числа хромосом (геномные мутации). В результате образуются организмы с отличным от нормального типа количеством хромосом. Эти явления играют большую роль в эволюции растений и широко используются селекционерами для выведения новых сортов и видов растений. Анеуплоидия. В нормальном хромосомном наборе либо отсутствует одна или более хромосом, либо присутствует одна или более добавочных хромосом; Полесский государственный университет 138 Генетика с основами биометрии Таблица 1 – Классификация мутаций на хромосомном уровне Изменения числа хромосом (геномные мутации) Моноплоид Моноплоид ия (1n) Изменения числа и порядка расположения генов (структурные мутации, аберрации) Делеция Терминальная (концевая) Изменения индивидуальных генов (генные, собственно мутации) Замена оснований Транзиции пурин–пурин; пиримидинпиримидин (А Г; Т Ц ) Тетраплоид (4n); Дупликац ия Гекс Инверсия аплоид (6n). Нуллисоми к (2n-2); – Перицентрическая (охватывающая центромеру) Парацентрическая (околоцентромерная) П ол Анеуплоид ия Интеркалярная (интерстициальная) ГУ Триплоид (3n); ес Полиплоид ия Моносомик (2n-1); Транслокация Реципрокная (реципрокный обмен участками негомологичных хромосом) Трансверсии Пурин – пиримидин (АТ; АЦ; ГЦ; ГТ) Вставка (удаление) одного или Миссенсмутации (изменение нескольких оснований (мутация со сдвигом рамки считывания ) смысла) Трисомик Транспозиция Нонсенс- (2n+1); (нереципрокная, в пределах одной хромосомы) мутации (терминация по сигналу ТК) Тэтрасомик (2n+2) Робертсоновская (центрическое слияние акроцентриков с потерей коротких плеч) Полесский государственный университет 139 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Нуллисомик – организм, содержащий на одну пару хромосом меньше нормы, общее число хромосом 2n–2; Моносомик – организм, содержащий на одну хромосому меньше нормы, общее число хромосом 2n–1; Трисомик – в хромосомном наборе присутствует одна лишняя хромосома, общее число хромосом 2n+1; Тэтрасомик – в хромосомном наборе присутствует две лишние хромосомы, общее число хромосом 2n+2; Моноплоидия. Число наборов негомологичных хромосом отличается от двух. Большинство эукариотических организмов диплоидны (2n), т.е. несут по два набора негомологичных хромосом в соматической клетке и одному (n) – в гаметах. Моноплоидные организмы содержат по одному набору хромосом (n). Заметим, что для некоторых организмов такое положение является нормой (например, самцы пчел); Полиплоидия. Полиплоидные организмы имеют более двух наборов негомологичных хромосом (триплоиды – организм имеет три набора хромосом (3n), тетраплоид – четыре (4n) и т.д.). Наиболее распространены полиплоидные организмы, у которых число хромосомных наборов в клетке кратно двум: (4 – тетраплоиды, 6 – гексаплоиды, 8 – октоплоиды). Изменения числа и порядка расположения генов (хромосомные перестройки). Хромосомные перестройки (их также называют аберрациями) возникают в случае двух или более хромосомных разрывов. Они могут затрагивать число генов в хромосомах (делеции и дупликации) и локализацию генов в хромосомах (инверсии и транслокации). Делеция или нехватка. Утрачен участок хромосомы. Случай концевой (терминальной) делеции был подробно рассмотрен выше. Интеркалярные (интерстициальные) делеции возникают в случае двух разрывов хромосом с образованием трех фрагментов. Дупликация или удвоение. Один из участков хромосомы представлен в хромосомном наборе более одного раза. Инверсия возникает в результате двух разрывов в одной хромосоме, но при условии, что внутренний фрагмент хромосомы совершит поворот на 180 градусов, т.е. его полярность измениться на обратную. Инверсии не влияют на жизнеспособность клетки и не вызывают фенотипических изменений, за исключением случаев, где важен эффект положения генов. Инвертированный участок хромосомы может включать или не включать центромеру. В первом случае инверсия называется перицентрической (т.е. охватывающей центромеру), а во втором – парацентрической (околоцентромерной). Полесский государственный университет 140 Генетика с основами биометрии A B C D E F G ABEFG Делеция ABEDCFG ABCDECDEFG Нормальная хромосома Инверсия ГУ Дубликация Рисунок 1 – Схематическое изображение перестроек разного типа П ол ес Транслокации. Если разрывы оказываются в двух хромосомах, то при воссоединении возможен обмен фрагментами. При симметричном воссоединении образуются новые хромосомы, в которых произошел обмен дистальными участками негомологичных хромосом. Такие транслокации называются реципрокными. Участок хромосомы может также изменять свое положение и без реципрокного обмена, оставаясь в той же хромосоме, или включаясь в какуюнибудь другую. Такие нереципрокные транслокации иногда называют транспозициями. В случае соединения двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч наблюдается центрическое слияние – робертсоновская транслокация. Изменения индивидуальных генов (внутригенные изменения, или мутации в наиболее узком смысле этого слова). Более точное название внутригенных мутаций – точковые мутации, так как очень сложно отличить истинные внутригенные мутации от малых структурных изменений. Полесский государственный университет 141 Генетика с основами биометрии 5.2 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МУТАГЕНЕЗА, ГЕННЫЕ И ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ ПЛАН 1. Классификация генных мутаций. 2. Причины генных мутаций. 3. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма. 4. Хромосомные мутации. Классификация хромосомных мутаций. 5. Цитологические и генетические методы обнаружения. 6. Значение хромосомных перестроек в эволюции. П ол ес ГУ 1. Классификация генных мутаций Генные мутации – нарушения последовательности нуклеотидов. Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть (делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно-клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидныз цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую (вместо глутамина - валин). Казалось бы, ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно-клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма. Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятное мутация генов происходит при спаривание тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др. Интересно, что значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, молчащая мутация – изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокилотная последовательность белка не меняется. По характеру изменений в составе гена различают следующие типы мутаций: Делеции – утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена. Полесский государственный университет 142 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Дупликации – удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов. Инверсии – поворот на 180 градусов сегмента ДНК размером от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов. Инсерции – вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена. Трансверсии – замена пуринового основания на пиримидиновое или наоборот в одном из кодонов. Транзиции – замена одного пуринового основания на другое пуриновое или одного пиримидинового на другое в структуре кодона. Точковые мутации можно разделить на несколько типов в зависимости от характера молекулярного изменения в гене: 1. Missense-мутация. К этому типу принадлежит мутация, описанная в предыдущем разделе. В одном из триплетов происходит замена одного основания (например, ЦТТ→ГТТ), в результате чего измененный триплет кодирует аминокислоту, отличную от той, которую кодировал прежний триплет. 2. Мутация со сдвигом рамки. Если в последовательность ДНК включается новое основание или пара оснований, то все лежащие за ними триплеты изменяются, что влечет за собой изменение синтезируемого полипептида. Возьмем, например, последовательность АТТ–ТАГ–ЦГА, перед которой включилось основание Т. В результате получится новая последовательность ТАТ–ТТА–ГЦГ–А. К такому же результату приведѐт утрата одного из имеющихся оснований. 3. Nonsense-мутация. В результате замены одного основания возникает новый триплет, представляющий собой терминирующий кодон. В генетическом коде имеется три таких триплета. При такой замене синтез полипептидной цепи прекращается в новой (т. е. другой) точке, и соответственно эта цепь отличается своим свойствам от полипептида, который синтез прежде. 4. Синонимическая missence-мутация. Генетический код обладает значительной избыточностью: два или несколько его триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Поэтому можно ожидать, что в некоторых случаях при замене оснований один триплет заменяется другим – синонимическим, кодирующим ту же аминокислоту. В этом случае, вследствие избыточности кода мы имеем дело с молекулярным изменением в пределах данного гена, которое не вызывает фенотипического эффекта. Такие синонимические мутации, вероятно, довольно обычны. Полесский государственный университет 143 Генетика с основами биометрии 2. Причины генных мутаций В наше время ученые обнаружили главные факторы, приводящие к мутациям – мутагены (рисунок 1). МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ П ол ес – ионизирующее излучение; – рентгеновские лучи; – УФО; – α; – β; – γ – лучи; – температура и др. ХИМИЧЕСКИЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ 9 классов: – вирусы; 1 – алкилирующие – токсины; соединения; плесневых 2 – пероксиды; грибов и 3 – альдегиды; бактерий; 4 – азотистая кислота; 5 – соли тяжелых металлов; 6 – гидроксиламины; 7 – антиметаболиты, в т.ч. аналоги оснований ДНК; 8 – красители, обладающие; основными свойствами; 9 – ряд др. веществ, преимущественно ароматического ряда; (канцерогены, алкалоиды, некоторые лекарственные вещества, гербициды инсектициды и др.) ГУ ФИЗИЧЕСКИЕ Рисунок 1 – Мутагенные факторы вызывающие мутации у различных организмов 3. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма 1. Генные мутации увеличивают количество генетического материала и тем самым открывают возможность возникновения новых генов с новыми свойствами. 2. Хромосомные и генные мутации оказывают разнообразные воздействия на организм. Во многих случаях эти мутации летальны, так как нарушают развитие; у человека, например, около 20% беременностей заканчиваются естественным выкидышем в сроки до 12 недель, и в половине таких случаев можно обнаружить хромосомные аномалии. 3. Генная мутация может привести к тому, что в определенном локусе окажется несколько аллелей. Это увеличивает как гетерозиготность данной популяции, так и ее генофонд, и ведет к усилению внутрипопуляционной изменчивости. 4. Некоторые из генных мутаций увеличивают дискретную изменчивость, и это может оказать на популяцию более глубокое влияние. Большинство генных мутаций рецессивны по отношению к «нормальному» Полесский государственный университет 144 Генетика с основами биометрии аллелю, который, успешно выдержав отбор на протяжении многих поколений, достиг генетического равновесия с остальным генотипом. Будучи рецессивными, мутантные аллели могут оставаться в популяции в течение многих поколений, пока им не удастся встретиться, т. е. оказаться в гомозиготном состоянии и проявиться в фенотипе. Время от времени могут возникать и доминантные мутантные аллели, которые немедленно дают фенотипический эффект. П ол ес ГУ 4. Хромосомные мутации. Классификация хромосомных мутаций Хромосомные мутации (аберрации) характеризуются изменением структуры отдельных хромосом. При них последовательность нуклеотидов в генах обычно не меняется, но изменение числа или положения генов при аберрациях может привести к генетическому дисбалансу, что пагубно сказывается на нормальном развитии организма. Виды аберраций и их механизмы представлены на схеме: Различают внутрихромосомные, межхромосомные и изохромосомные аберрации. Внутрихромосомные аберрации – аберрации, в пределах одной хромосомы. К ним относятся делеции, инверсии и дупликации. Делеция – утрата одного из участков хромосомы (внутреннего или терминального), что может стать причиной нарушения эмбриогенеза и формирования множественных аномалий развития (например, делеция в регионе короткого плеча хромосомы 5, обозначаемое как 5р-, приводит к недоразвитию гортани, ВПР сердца, отставанию умственного развития) (рисунок 2). Этот симптомокомлекс обозначен как синдром кошачьего крика, поскольку у больных детей из-за аномалий гортани плачь, напоминает кошачье мяуканье. Инверсия – встраивание фрагмента хромосомы на прежнее место после поворота на 1800. В результате нарушается порядок расположения генов (рисунок 3). Полесский государственный университет 145 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Рисунок 2 – Образование делеций Рисунок 3 – Схематическое обозночение инверсии: А – нормальная хромосома; Б – инвертированная хромасома Дупликация – удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы (например, трисомия по которому плечу хромосомы 9 приводит к появлению множественных ВПР, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития) (рисунок 4). Полесский государственный университет 146 Генетика с основами биометрии ГУ Рисунок 4 – схематическое обозначение дупликации: А – нормальная хромосома; Б – дуплицированная хромосома фрагментами между П ол ес Межхромосомные аберрации – обмен негомологичными хромосомами (рисунок 5). Рисунок – 5.Схематическое изображение транслокации хромосом. А – нормальные хромосомы, Б – транслоцированные хромосомы. Они получили название транслокации. Различают 3 варианта транслокации: реципрокные (обмен фрагментами двух хромосом); нереципрокные (перенос фрагмента одной хромосомы на другую); робетсоновские (соединение двух акроцентирических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч, в результате образуется одна метацентрическая хромосома вместо двух акроцентрических). Изохромосомные аберрации – образование одинаковых, но зеркальных фрагментов двух разных хромосом, содержащих одни и те же наборы генов. Это происходит в результате поперечного разрыва хроматид через Полесский государственный университет 147 Генетика с основами биометрии центромеры (отсюда другое название – центрическое соединение). П ол ес ГУ 5. Цитологические и генетические методы обнаружения хромосомных мутаций Метод цитологических карт основан на использовании хромосомных перестроек. При облучении и действии других мутагенов в хромосомах часто наблюдаются потери (делеции) или вставки (дупликации) небольших фрагментов, сравнимых по величине с одним или несколькими локусами. Например, можно использовать гетерозиготы по хромосомам, одна из которых будет нести группу следующих друг за другом доминантных аллелей, а гомологичная ей – группу рецессивных аллелей тех же генов ABCDE/abcde. Если в хромосоме с доминантными генами произошла утрата отдельных генов, например, DE, то у гетерозиготы ABC/abcde будет проявляться рецессивные признаки de. На этом принципе основан метод перекрывающихся делеций, используемые при построении цитологических карт. Например, у дрозофилы составлены цитологические катры политенных хромосом. При окраске этих хромосом, в тысячу раз превышающих по размерам митотические хромосомы, на препаратах выявляются темноокрашенные и диски и светлые участки – междиски. При этом каждая хромосома имеет свой индивидуальный рисунок чередования различных дисков (толстых, тонких, пунктирных) и междисков, что позволяет отличить одну хромосому от другой и разные участки одной хромосомы. На политенных хромосомах можно четко определять концы делеций. Генетическое картирование – это определение группы сцепления и положения картируемого гена относительно других генов данной хромосомы. Чем больше генов известно у данного вида, тем точнее результаты этой процедуры. Как правило, число генов в группах сцепления зависят от линейных размеров соответствующих хромосом. Однако, протяженные области конститутивного гетерохроматина (в районе центромеры и теломерных участков) практически не содержат генов и, таким образом, нарушают эту зависимость. На первом этапе картирования определяют принадлежность гена к той или иной группе сцепления. Как известно, у D. melanogaster в диплоидном наборе четыре пары хромосом: первая пара – половые хромосомы (XX – у самок, XY – у самцов), вторая, третья и четвертая – аутосомы. Число генов в Y-хромосоме самцов очень мало. Для локализации вновь возникшей мутации необходимо располагать набором маркерных генов для каждой хромосомы. Картирование мутаций основывается на анализе еѐ сцепления с этими маркерами. Например, если интересующая нас мутация наследуется незаваисимо от маркеров второй хромосомы, делается вывод о еѐ принадлежности к другой группе сцепления. Скрещивания проводятся до тех Полесский государственный университет 148 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ пор, пока не удастся выявить сцепленное наследование анализируемой мутации с маркерными мутациями какой-либо хромосомы. Второй этап картирования подразумевает определение положения гена на хромосоме. Для этого подсчитывают расстояние между этим геном и уже известными, маркерными генами. Для подсчета генетических расстояний проводят специальные скрещивания, в потомстве которых учитывают частоты кроссоверных и некроссоверных особей. Предполагается, что расстояние между двумя генами пропорционально частоте кроссинговера между ними. Следует иметь ввиду, что, чем дальше расположены друг от друга гены, тем чаще между ними происходят множественные перекресты и тем больше искажается истинное расстояние между этими генами. Частая рекомбинация между расположенными далеко друг от друга генами может привести к увеличению числа кроссоверных организмов в потомстве анализирующего скрещивание до 50%, имитируя независимое наследование изучаемых признаков. Поэтому при составлении карт, расстояние между далеко рассположенными генами следует использовать не непосредственный подсчет числа кроссоверных особей в анализирующих скрещиваниях, а сложение расстояний между многими близко расположенными друг от друга генами, можно установить по их сцепленному наследованию с промежуточно-расположенными генами, которые в свою очередь сцеплены между собой. В результате такого метода определения расстояний между генами длины карт хромосом могут превышать 50 морганид. Так у дрозофилы генетическое расстояние между генами, лежащими в разных концах хромосомы 2, составляет 107 марганид. 6. Значение хромосомных перестроек в эволюции С помощью хромосомных перестроек возможно: 1. изучать взаимодействие генов при изменении их положения в хромосоме; 2. выяснять влияние расположения эухроматинового и гетерохроматинового материала на фенотипический эффект гена; 3. исследовать межхромосомные отношения в генотипе организма; 4. получать новые группы сцепления. Иначе говоря, ту структуру кариотипа и генотипа видов, которая отрабатывалась в ходе эволюции в течение сотен тысяч и миллионов лет, генетик имеет возможность перестроить в течение нескольких поколений. С помощью хромосомных перестроек можно создавать новые системы генотипов. Хромосомные перестройки, происходящие как внутри одной хромосомы, так и между негомологичными хромосомами, являются очень Полесский государственный университет 149 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ важным механизмом перекомбинации генов внутри хромосомного набора каждого вида. Перестройки хромосом могут изменять поведение хромосом в мейозе, действие генов, свойств доминирования генов, характер рекомбинации генов, гаметогенез и т. д. Поскольку естественный отбор контролирует все процессы в организме, очевидно, что потомство организмов с разными хромосомными перестройками будет иметь разные шансы на выживаемость. В генетике накоплено большое количество фактов, дающих основание признать, что одним из основных механизмов, обусловливающим возникновение гомологических рядов мутаций у близких видов, является процесс хромосомных перестроек. Транслокации, инверсии, дупликации и полиплоидия в процессе дифференциации вида на расы, подвиды и новые виды играют роль изолирующих факторов одной группы индивидуумов от другой. Указанные хромосомные перестройки вызывают нескрещиваемость особей в популяции, а также снижение плодовитости и жизнеспособности зигот вследствие нарушения генного баланса. Но в случаях возникновения жизнеспособной формы, гомозиготной по транслокации, инверсии или дупликации, она может оказаться приспособленной к определенным условиям существования и свободно размножиться, а затем обособиться в новый вид. У этого нового вида сохраняются прежние гены, но либо они окажутся в других группах сцепления, либо в иной последовательности расположения. Такие гены могут мутировать в том же направлении, что и у исходного вида, и таким образом обусловливать возникновение гомологичных рядов мутаций. Как показывают генетические исследования родственных видов, особенно в роде Drosophila, их генетические системы оказываются очень сходными, а различия касаются главным образом расположения отдельных генов. Роль хромосомных перестроек важна и для эволюции генотипа. Как было показано, в результате транслокаций, дупликаций и инверсий гены вследствие эффекта положения изменяют характер Доминирования. Если полезная мутация гена является рецессивной, то с помощью эффекта положения она может проявиться в гетерозиготном состоянии и стабилизироваться в жизни вида. Значение транслокаций особенно велико в переносе отдельных участков аутосом на половые хромосомы. Эти перестройки являются важным фактором в определении нескрещиваемости видов животных. Результаты исследования хромосомных перестроек убеждают, вопервых, в наличии линейной дискретности хромосом и, во-вторых, в том, что генотип представляет целостную систему, не сумму отдельных генов. Рассмотрение хромосомных перестроек приводит к выводу, что они: 1. лежат в основе изменений групп сцепления генов; 2. изменяют характер наследования признаков и свойств в поколениях; Полесский государственный университет 150 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 3. изменяют проявление и взаимодействие генов; 4. являются не только источником наследственной изменчивости комбинативного характера, но и механизмом преобразования генотипа и кариотипа в процессе эволюции; 5. свидетельствуют о том, что многие гены, считавшиеся «классическими» точковыми мутациями, оказываются или дупликациями, или делециями, или инверсиями. Хромосомные перестройки служат методом цитогенетической локализации генов в хромосомах, методом исследования механизма мейоза и тонкого картирования генов. Они могут быть использованы в практических целях для изменения групп сцепления генов, определяющих хозяйственноценные признаки. Полесский государственный университет 151 Генетика с основами биометрии 5.3 ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ ПЛАН 1. Классификация, механизмы возникновения геномных мутаций. 2. Жизнеспособность и плодовитость полиплоидных и анеуплоидных форм. П ол ес ГУ 1. Классификация, механизмы возникновения геномных мутаций Мутации, связанные с изменением числа хромосом, называют геномными. Совокупность взаимодействующих генов в гаплоидном наборе хромосом клеток организма называют геномом. Геномными мутациями обусловлено появление полиплоидных организмов, когда происходит нарушение кратности полного гаплоидного набора хромосом (триплоидии, тетраплоидии, когда каждая клетка организма содержит не два, а три, четыре гаплоидных набора) или изменение в одной из пар хромосом в сторону утраты гомолога (моносомия) или приобретения дополнительного (трисомия, тетрасомия). В основе численных хромосомных изменений лежат нарушения в расхождении хромосом при клеточном делении. Нерасхождение хромосом может возникнуть во время гаметогенеза, или при первых делениях оплодотворенной яйцеклетки. К геномным мутациям относят гаплоидию, полиплоидию, анеуплоидию (гетероплоидию). Гаплоидные организмы имеют по одной хромосоме каждой гомологичной пары, все рецессивные гены проявляются в фенотипе. Жизнеспособность организмов снижена. У человека описаны триплоидные и тетраплоидные организмы. Частота их возникновения низка. Они обнаруживаются среди спонтанно абортированных эмбрионов или плодов и у мертворожденных. Продолжительность жизни новорожденных с такими нарушениями – несколько дней. Геномные мутации по отдельным хромосомам многочисленны. Моносомии могут быть по Х – хромосоме, что приводит к развитию синдрома Шерешевского–Тернера (45 хромосом=44 аутосомы+ХО). В период созревания гамет наблюдаются случаи нерасхождения половых хромосом (в I, II или в обоих делениях созревания). Гаметы несут 22 аутосомы+ 1 половую хромосому (X или У), а возникает нарушение парности хромосом. Моносомия Х зависит исключительно от отца. Для женщин с синдромом Шерешевского–Тернера характерны маленький рост, короткая шея, воронкообразная грудина, бесплодие вследствие недоразвития яичников, слабое развитие половых признаков. 50% Полесский государственный университет 152 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ больных умственно отсталы или нормальны. Могут быть пороки развития внутренних органов. Дети с синдромом Шерешевского-Тернера рождаются с частотой 0,7 на 1000 новорожденных девочек. Диагноз ставят при исследовании полового хроматина и на основании результатов цитогенетического анализа. Аутосомные моносомии среди живорожденных очень редки. Это мозаичные организмы с нормальными клетками. Моносомия касается аутосом 21 и 22. Полные трисомии описаны по большому числу хромосом: 8, 9, 13, 14, 18, 21, 22 и Х. Число Х-хромосом у человека может доходить до 5 с сохранением жизнеспособности. Изменение числа хромосом вызвано нарушением распределения их по дочерним клеткам во время 1-го или 2-го мейотического деления в гаметогенезе или при первых дроблениях оплодотворенной яйцеклетки. Нарушения возникают: • при расхождении во время анафазы редуплицированной хромосомы, в результате чего удвоенная хромосома попадает только в одну дочернюю клетку; • при нарушении конъюгации гомологичных хромосом, что может нарушить правильность расхождения гомологов по дочерним клеткам; • при отставании хромосом в анафазе, при их расхождении в дочерние клетки, что может привести к утрате хромосомы. При нарушении в двух и более последовательных делениях возникают тетрасомии и другие полисемии. Полисемии по половым хромосомам весьма разнообразны. Женщины с кариотипом XXX встречаются с частотой 1–1,4 на 1000 родившихся девочек. Для больных с кариотипом XXX характерно наличие недоразвитых яичников, матки, бесплодие. Умственное развитие нормальное или в пределах нижней границы нормы. Около 30% женщин сохраняют способность иметь детей. С увеличением числа Х-хромосом в кариотипе до 4,5 и более клинические проявления синдрома увеличиваются. Больные не могут иметь детей, умственно более отсталы. При исследовании полового хроматина в ядрах клеток эпителия слизистой оболочки щеки обнаруживают 2 и более телец Барра. Впервые синдром трисомии по Х-хромосоме описали П.Джекобе и другие в1959 г. При синдроме Клайнфельтера, описанном им в 1942 г., у мужчин в ядрах клеток эпителия слизистой оболочки полости рта обнаружено тельце Барра. В кариотипе 47 хромосом (44+ХХY). Частота больных с синдромом Клайнфельтера колеблется в пределах 2–2,5 на 1000 новорожденных мальчиков. Для мужчин с синдромом Клайнфельтера характерен высокий рост, длинные конечности, евнухоидизм, нарушенный сперматогенез и бесплодие, Полесский государственный университет 153 Генетика с основами биометрии гинекомастия, повышенное выделение женских гормонов, склонность к ожирению. Лишняя хромосома Х обусловливает разнообразные нарушения психики, снижение интеллекта. Иногда наблюдается антисоциальное поведение и алкоголизм. Степень тяжести симптомов пропорциональна числу добавочных Х–хромосом. Таблица 1 – Связь между числом Х-хромосом (I), числом телец Барра в клетках слизистой оболочки ротовой полости (II) и числом "барабанных палочек" в ядрах лимфоцитов (III). I II Нормальный мужчина XY или больная женщина (синдром Шерешевского– Тернера) 2 X–хромосомы Нормальная женщина XX или больной мужчина XXY (синдром Клейнфельтера) ес ГУ 1 X–хромосома III Больная женщина XXX или больной мужчина XXXY (синдром Клейнфельтера) 4 X–хромосомы Больная женщина XXXX (полисомия X) или больной мужчина XXXXY (синдром Клейнфельтера) П ол 3 X–хромосомы Разновидностью синдрома Клайнфельтера является полисомия по хромосоме Y – синдром ХYY (47 хромосом). У мужчин с хромосомным набором ХYY рост выше среднего, умственное развитие ниже нормы. Они отличаются агрессивным поведением, наблюдается бесплодие. Среди новорожденных мальчики с данным синдромом рождаются с частотой 1:1000. Индивиды с полисомией по Х- и Y-хромосомам (48–ХХYY, 49– Полесский государственный университет 154 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ ХХХYY) очень редки – 1:25000 новорожденных мальчиков. Они отличаются снижением интеллекта, агрессивностью поведения. Полные трисомии описаны по большому числу аутосом: 8, 9, 13, 14, 18, 21, 22. Трисомия по хромосоме приводит к живорождению, но часто наблюдается мозаицизм. Рождение детей с этим геномным нарушением происходит с частотой 1:50000 новорожденных. При синдроме отмечается неглубокая умственная отсталость и физическое недоразвитие. Типичны скелетные аномалии, удлиненное туловище, нарушения речи. Трисомия по 9-й паре хромосом заканчивается внутриутробной гибелью носителя лишней хромосомы. Продолжительность жизни немногих рожденных детей с такой трисомией-9 составляла 3,5 месяца. Для них характерны внутриутробное недоразвитие, черепно-лицевые пороки, аномалии скелета, пороки сердца, почек и других органов. Трисомия по 13-й паре хромосом (синдром Патау) была описана в1960 г., встречается с частотой 1:5000–7000 рождений. Для синдрома характерны пороки головного мозга, лица, внутренних органов (сердца, почек, половых органов), полидактилия. Глухота наблюдается в 80–85% случаев. Имеет место ранняя смертность (в течение первого года погибает 90% детей с синдромом Патау). Трисомии по 14-й паре хромосом описаны для мертворожденных. У живорожденных этой патологии не выявлено. Трисомии по 18-й паре (сидром Эдвардса) встречаются с частотой 1:7000 среди живых младенцев. Для детей характерно пренатальное недоразвитие, пороки костной системы, пороки сердца, 90% детей умирают на первом году жизни. Наиболее часто встречается трисомия по 21-й паре хромосом (синдром Дауна). Клиническое описание этого синдрома было сделано в 1866 г. Английским врачом Дауном. Мальчики и девочки заболевают одинаково часто. Частота рождения детей с синдромом Дауна. 1:700–800 новорожденных. В большинстве случаев при трисомии в кариотипе 47 хромосом. Больные с синдромом Дауна небольшого роста, слабоумны, имеют физические пороки. Для них характерны небольшая голова со скошенным затылком, косые глазные щели, эпикант, короткий нос с широкой переносицей, маленькие деформированные уши, полуоткрытый рот с высунутым языком и выступающей нижней челюстью, походка с неловкими движениями, косноязычие. Они имеют пороки сердца, желудочно-кишечного тракта, почек. У больных часто возникают инфекционные и злокачественные заболевания, что обусловлено дефектами иммунной системы. Благодаря улучшению условий Полесский государственный университет 155 Генетика с основами биометрии жизни и медицинской помощи, больные с синдромом Дауна доживают до 30 лет и более. Трисомия по 22-й паре, как правило, вызывает летальный эффект и гибель плода во внутриутробном периоде. П ол ес ГУ 2. Жизнеспособность и плодовитость полиплоидных и анеуплоидных форм. Полиплоидия. Явление изменения числа хромосом в клетке называют полиплоидией. Гаплоидным (n) набором хромосом называют такой набор, в котором из каждой пары гомологичных хромосом представлена только одна. Он несет в себе часть наследственной информации родителей. Полиплоидия возникает в следующих случаях: 1. Неравное расхождение хромосом к полюсам в анафазе. 2. Деление ядра без деления клетки. 3. Удвоение хромосом без их разделения в силу того, что центромеры утрачивают свойство взаимного отталкивания. Организмы, у которых произошло умножение целых гаплоидных наборов, называют собственно полиплоидами или эуплоидами. Полиплоиды, у которых число хромосом не является кратным гаплоидному, называют гетероплоидами или анеуплоидами. Если организм имел n=4 хромосомам, 2n=8, то тетраплоид имеет 16 хромосом. Если диплоид был гомозиготным, тетраплоид тоже будет гомозиготой. Если диплоид был гетерозиготным, тетраплоид тоже гетерозиготный. Полиплоидизация может возникать в результате митоза – это соматическая полиплоидия. Таблица 2 – Полиплоидные ряды у покрытосеменных растений. Основное гаплоидное Число хромосом у видов данного рода число хромосом 7 14, 28, 42 Пырей 7 14, 28, 42, 56, 70 Овес 7 14, 28, 42 Роза 7 14, 21, 28, 35, 42, 56, 70 Земляника 7 14, 28, 42, 56, 70, 84, 98 Люцерна 8 16, 32, 48 Сахарный тростник 8 48, 56, 64, 72, 80, 96, 112, 120 Род Пшеница Полесский государственный университет 156 Генетика с основами биометрии Свекла 9 18, 36, 54, 72 Хризантема 9 18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81, 90 Щавель 10 20, 40, 60, 80, 100, 120, 200 Хлопчатник 13 26, 52 П ол ес ГУ Если удвоение геномов происходит в первом делении зиготы такая полиплоидия называется мейотической, все клетки зародыша будут полиплоидными. Г. Винклер (1916 г.) – впервые описал полиплоиды томатов и паслена. К настоящему времени установлено, что 1/3 всех покрытосеменных растений являются полиплоидами. Группа родственных видов, у которых наборы хромосом составляют ряд возрастающего кратного увеличения числа хромосом, называется полиплоидным рядом. Таким образом, основное число хромосом или наименьшее гаплоидное число в полиплоидном ряду, у пшениц составляет 7, а T. monococcum называют диплоидом, T. durum тетраплоидом и T. aestivum гексаплоидом. Соматическая полиплоидия распространена у всех видов, а зиготическая – главным образом у растений. У животных она встречается у червей (земляных и аскарид), а также очень редко у некоторых амфибий. Автополиплоидия. Полиплоиды, возникающие на основе умножения идентичных наборов хромосом, т.е. наборов хромосом того же вида, называют автополиплоидами. Особенности мейоза автополиплоидов. В норме, у диплоидов, в профазе мейоза образуются биваленты, у тетраплоида в профазе кроме бивалентов образуются триваленты, униваленты и квадриваленты. У диплоида Aa (2n) образуются гаметы A и а в соотношении 1:1. У тетраплоида AAaa (4n) расхождение гомологичных хромосом возможно в соотношениях 2:2; 3:1; 1:3, 4:0; 0:4. Автотетраплоид, гетерозиготный по аллелям AA/aa образует три типа гамет в отношении 1AA:4Aa:1aa. Расщепление вместо 3:1 в F2, будет 35:1, т.е. при моногибридном скрещивании вероятность появления гомозиготных рецессивных форм во много раз ниже, чем у диплоидов. Поэтому селекционеру отбор по признакам рациональнее вести на низком уровне плоидности. Кроме правильного расхождения хромосом в мейозе у автотетраплоида возможно также расхождение хромосом в соотношении 3:1 и 4:0. При этом возникнут гаметы AAa и a, Aaa и A, а также AAaa и 0. Часть таких гамет нежизнеспособна. Тетраплоиды чаще всего имеют большую вегетативную массу (листья, пыльники, семена). Увеличены размеры клеток. Однако может резко уменьшиться плодовитость (до 5% от нормы) из-за Полесский государственный университет 157 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ нарушения расхождения поливалентов в мейозе. В результате скрещивания тетраплоида с диплоидом получается триплоид. Эти растения крупнее и мощнее, чем растения с кратными числами хромосом (например, сахарная свекла), но полностью стерильные. Недостаток этих гибридов заключается в том, что в результате скрещивания тетра- и диплоидов в потомстве получается только около 55% триплоидов. Аллополиплоидия (амфиполиплоидия). Полиплоиды, возникающие на основе умножения разных геномов, называются аллополиплоидами геномов, протекание мейоза у аллополиплоидов имеет ряд особенностей. Например, совмещаются геномы S (рожь) и T (пшеница). У гибрида будет два генома – T и S – по 7 хромосом в каждом. В мейозе образуются униваленты, поскольку в наборах хромосом одного вида нет гомологов с хромосомами другого вида, т.е. в мейозе будет 14 унивалентов. В анафазе они будут беспорядочно расходиться к полюсам. Гаметы могут иметь от 0 до 14 хромосом (7T + 7S). Гаметы, имеющие 14 хромосом, называются нередуцированными. При объединении нередуцированных гамет образуется зигота с удвоенным набором хромосом каждого вида – аллотетраплоид. Он оказывается фертильным. Первыми получили фертильные аллополиплоиды Г.Д. Карпеченко в 1928 г. на растениях, а на животных – Б.Л. Астауров, который скрещивал Bombix mori с другим видом шелкопряда B. mandarina. Аллополиплоидия широко распространена в природе. Известны многие полиплоидные виды пшеницы. Triticum aestivum (мягкая пшеница) является основным хлебным растением мира (90% мирового производства). Она имеет в составе 2n=42 хромосомы. Другие пшеницы, например, T. durum (твердая пшеница) имеет 2n=28 хромосом. Пшеница однозернянка T. monococcum имеет 14 хромосом. В 1913 году A. Schultz разделил виды, входящие в род Triticum на три группы: однозернянки, полбы и спельты. T. Sakamura (1918) и N. Sax (1922) обнаружили, что однозернянки имеют в соматических клетках 14 хромосом, пшеницы группы полбы – 28, а спельты – 42 хромосомы. При исследовании как диких, так и культурных видов пшениц было найдено, что основное число хромосом в роде Triticum, x=7. В результате скрещивания T.monococcum (группа однозернянок) с T. turgidum (группа полбы) в мейозе у гибрида было найдено семь бивалентов и семь унивалентов. Таким образом, оказалось, что один геном T. turgidum имет гомологию с геномом T.monococcum (гомологичные хромосомы разных видов называют гомеологичными). Эти геномы назвали символом А. Второй геном T.turgidum назван геномом B. Пшеницы-однозернянки имеют два генома А, (т.е. АА), а пшеницы-полбы по два генома А и В (т.е. ААВВ). При анализе мейоза у гибридов T. spelta х T. monococcum (геном АА) обнаружили образование семи бивалентов, что означает наличие геномов АА Полесский государственный университет 158 Генетика с основами биометрии ес ГУ в составе генома спельта. Рисунок 1 – Эволюция генома Triticum aestivum посредством полиплоидизации П ол Последующий анализ показал, что T. monococcum получила геном А от T. thaoudar – предковой формы однозернянок. В скрещиваниях пшениц группы полбы (ААВВ) с видами группы спельты в мейозе найдено образование 14 бивалентов и 7 унивалентов. Таким образом было установлено, что T. spelta имеет два общих генома с пшеницами группы полб (А и В) и еще один, отличный от них геном D. Значит, спельты имеют геномную формулу AABBDD. Очень похожим на пшеницы оказался род Aegilops. Путем анализа многочисленных скрещиваний выяснили, что источником генома D в T aestivum является Aegilops squarrosa. Геном В у видов пшеницы группы полбы был также получен от эгилопса, от Ae. speltoides. Полиплоидия используется селекционерами с целью получения межвидовых гибридов и их закрепления. 2.3 Искусственное получение полиплоидов Все факторы, влияющие на митоз и мейоз, могут вызвать полиплоидию: изменение температуры, влияние радиации, действие наркотиков, механические воздействия – пасынкование, декапитация. Особенно популярным является колхицин – алкалоид, выделяемый из растения безвременника осеннего – Colchicum autumnale. Колхицином обрабатывают точки роста растений, или инъецируют его животным в водном растворе. Колхицин парализует механизм расхождения хромосом к полюсам, но Полесский государственный университет 159 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ не препятствует их репродукции. Анеуплоидия. К. Бриджес (1916 г.) открыл явление нерасхождения хромосом, в результате чего обе Х-хромосомы отходят либо в яйцеклетку (образуется гамета ХХ) или в направительное тело (гамета 0). При оплодотворении яйцеклеток XX и 0 спермиями, несущими X или Y хромосому, образуются самки XXX, XXY и самцы X0. Все они имеют нормальный диплоидный набор аутосом. В мейозе у этих особей наиболее вероятно образование анеуплоидов из-за нарушения расхождения хромосом. Организм с набором 2n - 1 называют моносомиком, 2n + 1 – трисомиком, 2n + 2 – тетрасомиком, 2n + 3 – пентасомиком, 2n - 2 – нуллисомиком. Американский ученый Е. Сирс (E. R. Sears) в 1954 году после 15 лет работы создал на базе сорта пшеницы ―Чайниз Спринг‖ коллекцию нуллисомиков, моно-, три- и тетрасомиков. Рисунок 2 – Возникновение сегментной анеуплоидии в результате комбинации элементов хромосомы (объяснение в тексте). X, Y – половые хромосомы, цифрами в кружочках обозначены транслоцированные X и Y хромосомы, черной точкойцентромера. У других организмов, у которых в составе генома нет дублирующих геномов, как у пшеницы, потеря целой хромосомы, т.е. образование нуллисомиков, почти всегда летальна. Летальны также потери больших кусков хромосом. У дурмана дополнение одной хромосомы ведет к изменению формы семенной коробки. У животных анеуплоиды жизнеспособны, как правило, только в том случае, если анеуплоидия затрагивает половые хромосомы. Например, у мышей и человека жизнеспособны женские особи Х0 – моносомики, или особи Полесский государственный университет 160 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ мужского пола XXY – трисомики по половым хромосомам, пентасомики ХХХХХ – женские особи. Животные-анеуплоиды по аутосомам, как правило, нежизнеспособны. Среди исключений – трисомик по хромосоме 21 у человека. Он жизнеспособен, но отягощен синдромом Дауна. Сегментальная анеуплоидия у дрозофилы. У дрозофилы получено около 300 транслокаций между X и Y, а также между аутосомами и Y-хромосомой. У этих особей в геноме можно выделить 3 элемента: неповрежденная X-хромосома, фрагмент дистальной части Ххромосомы и Y-хромосома, фрагмент Y-хромосомы и проксимальная часть Ххромосомы. В другой линии точка разрыва может быть дистальнее или проксимальнее. В результате скрещивания двух этих линий потомство представлено несколькими классами. При этом комбинация элементов 1 и 4 дает делецию, а комбинация 2 и 3 – дупликацию. Таким образом, в результате одного скрещивания в потомстве один и тот же сегмент хромосомы дважды представлен в анеуплоидном состоянии: в одной и трех дозах. Гаплоидия. Гаплоидия – это явление уменьшения числа хромосом, когда в наборе соматической или половой клетки каждая пара гомологичных хромосом представлена лишь одной из них. Гаплоидом называют организм, имеющий в соматических клетках гаплоидный набор негомологичных хромосом. Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле спорообразующих грибов, бактерий и одноклеточных водорослей. Впервые гаплоид у высших растений был обнаружен у дурмана в 1921 году, затем гаплоиды были найдены у пшеницы, кукурузы. В настоящее время гаплоидия известна для 71 вида из 39 родов и 16 семейств. Фенотип гаплоидов имеет следующие особенности: 1. у гаплоидов проявляются рецессивные гены, т. к. их не прикрывают доминантные аллели. 2. гаплоиды по внешнему виду, как правило, сходны с соответствующими диплоидными организмами, но мельче их. 3. гаплоиды перекрестноопылителей маложизнеспособны в отличие от гаплоидов самоопылителей. 4. Клетки гаплоидов имеют меньший размер, что может объясняться уменьшением дозы генов. 5. Гаплоиды почти бесплодны, т.к. у них в мейозе не образуется полноценных гамет: хромосомы не имеют гомологов, в силу чего они не конъюгируют и расходятся случайно, образуя несбалансированные гаметы. В редких случаях весь набор хромосом отходит к одному полюсу. Из этих клеток образуются гаметы с нередуцированным гаплоидным числом хромосом. При встрече таких гамет в процессе самоопыления образуется Полесский государственный университет 161 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ диплоид, гомозиготный по всем генам. Полесский государственный университет 162 Генетика с основами биометрии 5.4 СПОНТАННЫЙ И ИНДУЦИРОВАННЫЙ МУТАГЕНЕЗ ПЛАН 1. Закон Н.И. Вавилова о гомологических рядах в наследственной изменчивости. 2. Спонтанные и индуцированные мутации. 3. Мутагенные факторы среды. П ол ес ГУ 1. Закон Н.И. Вавилова о гомологических рядах в наследственной изменчивости Первым наиболее серьезным исследованием мутаций была работа Н.И. Вавилова по установлению параллелизма в наследственной изменчивости у видов растений, принадлежащих близким таксонам. На базе обширных исследований морфологии различных рас растительного мира, Вавилов в 1920 году пришел к выводу, что несмотря на резко выраженное разнообразие (полиморфизм) многих видов, можно заметить ряд закономерностей в изменчивости этих видов. Если взять для примера семейство злаков и рассмотреть варьирование некоторых признаков, оказывается, что одинаковые отклонения присущи всем видам (таблица 1). В данной таблице представлена очень незначительная часть данных Н.И. Вавилова, легших в основу формулирования закона гомологических рядов в наследственной изменчивости, однако и эти данные позволяют увидеть, что варьирование морфологии идет параллельно у разных видов. Чем ближе таксономически рассматриваемые организмы, тем большее сходство наблюдается в спектре их изменчивости. Закон Вавилова гласит: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линнеоны (т.е. виды), тем полнее сходство в рядах их изменчивости». Свой закон Н.И. Вавилов выразил формулой: G1 (a+b+c…….), G2 (a+b+c…….), G3 (a+b+c…….), G1, G2, G3 –обозначение видов; a, b, c – различные варьирующие признаки. Закон Вавилова имеет большое теоретическое значение, поскольку из гомологии наследственных изменений у близких видов выводит и гомологию их генов. Для селекционной практики этот закон важен потому, что Полесский государственный университет 163 Генетика с основами биометрии прогнозирует возможность нахождения неизвестных форм растений у данного вида, если они уже известны у других видов. Таблица 1 – Изменчивость у видов семейства Graminidae (фрагмент из работы Н.И. Вавилова, 1922) Наследственно варьирующие признаки ГУ Наличие (+) или отсутствие (-) признака у видов Secale Triticum Hordeum Panicum Zea cereale sativum. Sativum miliaceum mays колоски осыпающиеся колоски + + неосыпающиеся зерно пленчатое + + + + + зерно голое + + однополые растения + обоеполые растения + Oriza Agropyro sativa n repens + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - + - - + + + + + + П ол ес + колоски остистые + + + - - + + колоски безостые цветки одноцветковые зерно белое + + + + + + + + + + + + + - + + + + + + - зерно красное + + + - + + + зерно фиолетовое + + + - + + + зерно стекловидное + + + + + + + зерно восковидное - (+) + + + + - 2. Спонтанные и индуцированные мутации В любой популяции живых организмов, живущих на Земле, всегда есть особи, несущие мутации. Многие годы до открытия возможности искусственной индукции мутаций селекционеры и исследователи наследственности, включая Менделя и Моргана, использовали мутации этого типа. Их называют спонтанными. Спонтанные – это мутации, которые возникают самопроизвольно, без Полесский государственный университет 164 Генетика с основами биометрии участия со стороны экспериментатора. Начиная с 1925 года С.С. Четвериков и его молодые коллеги Б.Л. Астауров, Н.К. Беляев, С.М. Герщензон, П.Ф. Рокицкий, Д.Д. Ромащов в результате экспериментальной проверки природных популяций дрозофилы нашли в них большое число различных мутаций. Каждый ген с той или иной частотой спонтанно переходит в мутантное состояние (таблица 2). Таблица 2 – Частота спонтанных мутаций некоторых генов (Из Гершензон, 1983, с. 222) Мутационные Направление изменение мутирования Частота мутаций ГУ Млекопитающее Вид Альбинизм Фенилкстонурия Микроцефалия Гемофилия Аниридия человек +→а + → ph + → mc +→h + → Anir ес Тип, класс 2.8-3.3x105 2.5-8x105 2.7x103 2 - 3.2x105 0,5 x 103 Водоросль хламидомонада Устойчивость к + → sh стрептомицину 1> 106 Бактерии Кишечная Потребность гистидине То же Устойчивость стрептомицину Потребность лактозе Устойчивость 2 x 108 П ол палочка Золотистый стафилококк фагу Т5 Устойчивость сульфамиду в his’ → his’ his’→ his’ str-s → str-d к lac’ → lac’ в 2 x 106 2 x 108 к T5s → T5r 1 x 109 2 x 107 к 7 x 108;1 sul’ → sul’ 1 x 109 Полесский государственный университет 165 Генетика с основами биометрии Вирусы Фаг Т2 Изменение круга хозяев Изменение 3 x 109 + → rlll 2 x 103 1 x 107 + → auc 1,6 x 108 круга Фаг Т4 хозяев Вирус Мозаичность мозаичности аукуба табака h’ → h’ типа П ол ес ГУ Причины индукции спонтанных мутаций не ясны. Долгое время полагали, что к числу индуцирующих факторов относится естественный фон ионизирующих облучений, образуемый доходящими до поверхности земли космическими лучами, гамма-излучениями Земли и радиоактивными веществами (40К, 14С, Rn), поступающими в малых количествах в организм из окружающей среды. Однако, как показали расчеты, у дрозофилы естественный радиационный фон может быть ответствен только приблизительно за 0,1% спонтанных мутаций. Хотя, по мере увеличения продолжительности жизни организма воздействие естественного фона может накапливаться. У человека от 1/4 до 1/10 спонтанных мутаций может быть отнесено за счет естественного фона радиации. Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов в ходе нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке. По многочисленным данным спонтанные мутации возникают во время деления хромосом и репликации ДНК. Считают вероятным, что спонтанные мутации представляют чаще всего следствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов. Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных элементов, которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию. По расчетам американского генетика Мелвина Грина около 80% спонтанных мутаций приходится на счет перемещений мобильных элементов. Индуцированные мутации – это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием различных факторов мутагенеза. Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации – мутагенами. Индуцированные мутации впервые обнаружили в 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в СССР. Они облучали рентгеновскими лучами культуры плесневых грибов Mucor genevensis и получили расщепление культуры «на две формы или расы, отличающиеся не только друг от друга, но и от исходной (нормальной) формы». Мутанты оказались стабильными, так как после восьми Полесский государственный университет 166 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ последовательных пересевов сохраняли приобретенные свойства. Их статья была опубликована только на русском языке, к тому же в работе не использовались какие-либо методы количественной оценки действия рентгеновских лучей, поэтому она осталась малозамеченной. В 1927 г. Г. Мѐллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме (ClB), который стал классическим. В 1946 г. Мѐллеру была присуждена Нобелевская премия за открытие радиационного мутагенеза. В настоящее время установлено, что практически все виды излучений (в том числе ионизирующая радиация всех видов – a, b, g; УФ-лучи, инфракрасные лучи) вызывают мутации. Их называют физическими мутагенами. В 1939 г. Сергей Михайлович Гершензон (ученик С.С. Четверикова) открыл сильный мутагенный эффект экзогенной ДНК у дрозофилы. Под влиянием идей Н.К. Кольцова о том, что хромосома является гигантской молекулой, С.М. Гершензон решил проверить свое предположение, что именно ДНК является такой молекулой. Он выделил ДНК из тимуса и добавил ее в корм личинкам дрозофилы. Среди 15 тыс. контрольных мух (т.е. без ДНК в корме) не было ни одной мутации, а в опыте среди 13 тыс. мух было обнаружено 13 мутантов. В 1941 г. Шарлоттта Ауэрбах и Дж. Робсон показали, что азотистый иприт индуцирует мутации у дрозофилы. Результаты работы с этим боевым отравляющим веществом были опубликованы только в 1946 г., после окончания Второй мировой войны. В том же 1946 г. Рапопорт (Иосиф Абрамович) в СССР показал мутагенную активность формальдегида. Индуцированный мутагенез, начиная с конца 20-х годов XX века, используют для селекции новых штаммов, пород и сортов. Наибольшие успехи достигнуты в селекции штаммов бактерий и грибков – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ. Так, удалось повысить активность продуцентов антибиотиков в 10-20 раз, что позволило значительно увеличить производство соответствующих антибиотиков и резко снизило их стоимость. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В12 удалось повысить в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз. Использование мутаций карликовости у пшеницы позволило в 60-70 годах резко увеличить урожай зерновых культур, что было названо «зеленой революцией». Пшеница карликовых сортов имеет укороченный толстый стебель, устойчивый к полеганию, он выдерживает повышенную нагрузку от более крупного колоса. Использование этих сортов позволило существенно увеличить урожаи (в некоторых странах в несколько раз). Автором «зеленой революции» считают американского селекционера и Полесский государственный университет 167 Генетика с основами биометрии генетика Н. Борлауга, который в 1944 г., в возрасте 30 лет, поселился и стал работать в Мексике. За успехи в выведении высокопродуктивных сортов растений в 1970 году ему была присуждена Нобелевская премия мира. П ол ес ГУ 3.Мутагенные факторы среды Мутагены – факторы, вызывающие наследственные изменения – мутации. Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные – образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные – все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды. По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические. Физические мутагены: ионизирующее излучение; радиоактивный распад; ультрафиолетовое излучение; чрезмерно высокая или низкая температура. Химические мутагены: некоторые алкалоиды (колхицин – один из самых распространенных в селекции мутагенов); окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода); алкилирующие агенты; нитропроизводные мочевины; некоторые пестициды; некоторые пищевые добавки (ароматические углеводороды, цикламаты); продукты перерабоки нефти; органические растворители; лекарственные препараты (цитостатики, иммунодепрессанты). К химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты – ДНК или РНК) Химические мутагены должны обладать следующими качествами: высокой проникающей способностью; свойством изменять коллоидное состояние хромосом; определенным действием на состояние хромосомы или гена. Биологические мутагены: специфические последовательности ДНК (транспозоны); некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа); Полесский государственный университет 168 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ продукты обмена веществ (продукты окисления липидов); антигены некоторых микроорганизмов. Возникновение мутаций приводит к различным патологиям. Для предотвращения негативных последствий, связанных с действием различных мутагенных факторов среды, проводят мероприятия, снижающие вероятность возникновения мутаций. С этой целью используют вещества, называемые антимутагенными. В настоящее время выделено около200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью. Это аминокислоты (гистидин, метионин и др.), витамины (токоферол, каротин, ретинол, аскорбиновая кислота и др.), ферменты (оксидаза, каталаза и др.), интерферон и др. Потребляемая пища содержит большое количество мутагенов и антимутагенов. Их соотношение зависит от способов обработки пищи, сроков ее хранения и т.д. Правильное питание – один из путей предотвращения вредного воздействия мутагенных факторов среды. Полесский государственный университет 169 Генетика с основами биометрии 6. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОНТОГЕНЕЗА ПЛАН 1. Онтогенез: основные понятия, дифференцировка и детерминация. 2. Эпигеномная наследственность. 3.Транскрипция и амплификация генов в оогенезе, их дифференциальная активность в онтогенезе. 4. Генетические факторы, определяющие продолжительность жизни. П ол ес ГУ 1. Онтогенез: основные понятия, дифференцировка и детерминация Онтогенез – это индивидуальное развитие организма. Началом этому процессу служит оплодотворение яйцеклетки, а концом – естественная смерть. Особенности онтогенеза изучает феногенетика. В общем смысле онтогенез сопровождается количественными и качественными изменениями организма, в частности: 1. Ростом. 2. Структурно-функцональной дифферинциацией клеток. Эти процессы присущи и одноклеточным, и многоклеточным эукариотическим организмам. Онтогенез заложен в генотипе, но реализация наследственной информации зависит от внешних факторов. В природе встречаются виды с непрямым (личиночным) и прямым (неличиночным и внутриутробным) развитием. В первом случае онтогенез протекает в одну или в несколько стадий. Неличиночный вариант прямого онтогенеза характерен для рыб, рептилий, птиц, а внутриутробный – для млекопитающих и человека. Независимо от формы онтогенеза выделяют следующие его этапы: • эмбриональный; • постэмбриональный. Стадии эмбрионального периода: • дробление – образование бластулы; • гаструляция – образование зародышевых листков; • гисто- и органогенез – образование органов и тканей зародыша. Стадии постэмбрионального периода: • ювенильный (до полового созревания); • зрелый (взрослое половозрелое состояние); • период старости, заканчивающийся естественной смертью. Дифференцировка – это формирование структурно-функциональной организации клеток многоклеточных эукариотических организмов, то есть приобретение ими способностей выполнять определенные функции в сложном организме. Состояние, достигнутое дифференцируемыми клетками в данный Полесский государственный университет 170 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ момент времени, в норме стабильно, например, клетки печени не могут стать эпителиальными клетками желудочно-кишечного тракта. Дифференцировка – это поэтапный процесс, который в общем случае у высших организмов предполагает: • первопричиная дифференцировка – химическая разнородность цитоплазмы яйцеклетки; • усиление дифференцировки яйцеклетки после оплодотворения – сегрегация; • переход химической разнородности цитоплазмы яйцеклетки в химическую разнородность цитоплазмы бластомеров (учитываем, что в разных бластомерах имеются разные индукторы); • включение индукторами различных транскриптонов; • синтез разных белков-ферментов; • запуск белками-ферментами биохимических реакций, в процессе которых в бластомерах синтезируются разные типо- и тканеспецифические белки; • образование клеток с различной морфологией – следствие прошлого процесса; • образование клетками тканей; • формирование органов. Рост – увеличение массы и размера тела за счет возрастания числа и массы его клеток и органов. Причина роста клеток: накопление и преобразование в них белков-ферментов, которые катализируют образование различных соединений. Рост и дифференцировка протекают неравномерно, что связывают с тремя уровнями реализации генетической программы индивидуального развития: 1. Неодновременным действием генов в пределах одной хромосомы. 2. Разным характером действия генов в период активного роста и в период дифференцировки. В первом случае работают гены, стимулирующие рост клетки и активное деление, во втором – гены, детерминирующие синтез специфических белков, которые определяют появление зачатка конкретной ткани или органа. 3. Разным моментом и степенью проявления признаков у систематически родственных форм. Зигота и ранние эмбриональные клетки содержат полный набор генов и всю генетическую информацию, характерную данному виду, породе, особи, то есть имеют все возможности развития, формирования органов и признаков взрослой особи. Это свойство получило название тотипотентность. Если говорить о растениях, любая соматическая клетка – это своего рода основа для нового организма. Также известно о тотипотентности бластомеров низших животных и некоторых высших позвоночных. Полесский государственный университет 171 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Онтогенез любого организма подчиняется биогенетическому закону Мюллера-Геккеля: сходство эмбриональных черт развития отражает степень родства разных форм в силу общности их происхождения. Дробление зиготы у всех многоклеточных организмов проходит начальные стадии эмбриогенеза – бластулу и гаструлу. Позвоночные проходят стадию, на которой у наземных форм с легочным дыханием образуются жаберные дуги, как у рыб. Естественно это определяется генетическими факторами. Советским биологом А.А. Заварзиным была открыта основная эволюционная тенденция: по мере усложнения организации носителей клетки все больше и больше становятся частями целого, теряют самостоятельность и в своих проявлениях целиком зависят от надклеточных регуляционных систем (внутри- и межтканевых отношений, гуморальных и нервных факторов). То есть тканевые клетки животных эволюционируют как субъединицы целостного организма. Этот принцип предполагает отсутствие постоянного превращения одних клеток в другие, которое, кроме всего прочего, нарушило бы гомеостатические реакции организма, привело бы к резкому снижению устойчивости его к внешним факторам. Взаимодействие клеток, тканей и надклеточных регуляционных систем основано на компетентности, под которой следует понимать восприимчивость клеток к регуляционным влияниям. Фактически все главные функции дифференцированных клеток находятся под контролем организма (исключение – злокачественные опухоли). Конечная дифференцировка часто объясняется утратой способности клеток к размножению – пролиферации. Как правило, в норме активная пролиферация и функционирование взаимоисключают друг друга. Это может служить причиной того, что, например, последнее деление нервных клеток у млекопитающих происходит в эмбриональный и ранний постэмбриональный периоды, а клеток нервных ганглиев дрозофилы – на стадии личинки. В процессе развития взрослого организма происходит формирование комплексов, включающих множество разносящихся функционально нервных клеток – от чувствительного до двигательного нейрона. Постоянное деление нервных клеток во взрослом организме привело бы к нарушению целостности этих комплексов и, соответственно, системы нервной регуляции. В то же время следует отметить, что в пролиферирующих тканях клетки дифференцированы в разной степени. Например, в эпителии на вершине ворсинки находятся клетки, достигшие конечной стадии дифференцировки, тогда как клетки в криптах (камбиальных отделах кишечного эпителия) по морфологии сильно отличаются от них. Однако из недифференцированных клеток крипт выходят сугубо эпителиальные клетки кишечника. Таким образом, клетки крипт детерминированы, то есть для них характерно однонаправленное развитие. Детерминация начинается в раннем эмбриогенезе и постепенно сужает число возможных превращений клеток до одного какогоПолесский государственный университет 172 Генетика с основами биометрии либо дифференцильного состояния или очень немногих. П ол ес ГУ 2. Эпигеномная наследственность В процессе изучения онтогенеза большая роль отводится изучению вопросов, касающихся механизма поддержания стабильности дифференцированного состояния; причин сохранения клетками своей специфичности. Вейсман детерминацию объяснял неравнонаследственными делениями. Носитель полной генетической информации – генов, детерминирующих все признаки взрослого организма, – оплодотворенная яйцеклетка. Тканевые клетки получают набор генов, соответствующих их структуре и функциям. Например, в нервных клетках отсутствуют гены гемоглобина. Свою гипотезу Вейсман объяснял данными по диминуции хроматина у лошадиной аскариды, в процессе которой из клеток тканей удаляется лишний генетический материал. Позже было установлено, что эта гипотеза ошибочна. Диминуционные деления, которых бывает одно или два, происходят на ранней стадии эмбрионального периода (3-7 деление дробления) – до начала работы тканеспецифических генов. Диминуцию правомерно назвать первым актом детерминации, который разделяет зародышевые половые и соматические клетки. Все типы тканевых клеток развиваются после диминуционных делений. Диминуция – это процесс, протекающий у ничтожного числа известных организмов. Благодаря цитогенетике были получены следующие данные: у видов, у которых диминуция отсутствует, все соматические клетки имеют одинаковые кариотипы; содержание ДНК у клеток, находящихся на разных стадиях дифференцировки, одинаково, что было установлено при помощи цитофотометрии; спектр нуклеотидных последовательностей в клетках разных тканей идентичен. Это подтверждено данными молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот. Следовательно, можно говорить о присутствии генов гемоглобина как в эритроидных клетках, где они активно функционируют, так и в клетках тканей прочих органов. Таким образом, клетки дифференцируются при неизменном в количественном отношении геноме, сохраняющем все свои компоненты. Однако это не исключает возможность избирательного повреждения и, соответственно, прекращения функционирования отдельных генов. То есть в эпителиальных клетках кишечника гены гемоглобина не работают не по причине отсутствия, а в результате повреждения их структуры или выпадения незначительных по размерам последовательностей (типа ТАТА-бокса), регулирующих транскрипцию. Полесский государственный университет 173 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ И такой подход к объяснению механизма дифференциации оказался неверным. Его ошибочность подтвердил английский ученый Дж. Гердон, который руководствовался данными, полученными им по результатам опыта, проведенного в начале 60-гг. на Xenopus laevis (рисунок 1). На неоплодотворенные яйцеклетки воздействовали УФ-лучами, что инактивировало их ядра и почти без повреждения цитоплазмы. В энуклеированные яйцеклетки микрохирургическим методом пересадили ядра из дифференцированных клеток, источником которых послужил эпителий кишечника головастика. В некоторых случаях были получены нормальные плодовитые взрослые особи. Также было установлено, что при использовании ядер, отобранных от одной особи, все будущие головастики являются клонами. Выводы, вытекающие из опытов Гердона: o в процессе детерминации и дифференцировки не происходит необратимых повреждений генома; o перенесение ядра тканевой клетки в неоплодотворенное яйцо по крайней мере в некоторых случаях приводит к полному возврату дифференцированного состояния и детерминации. Рисунок 1 – Клонирование Xenopus laevis – развитие взрослой особи из яйцеклетки, ядро которой заменено ядром из соматической клетки кишечного эпителия головастика: 1 – неоплодотворенное яйцо, 2 – УФ-облучение, 3 – головастик, 4 – кишечник головастика, 5 – клетки кишечного эпителия, 6 – микропипетка, 7 – ядро эпителиальной клетки, 8 – яйцо-реципиент, 9 – бластула, 10 – неделящаяся клетка, 11 – ненормальный эмбрион, 12 – взрослая лягушка Полесский государственный университет 174 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ К сегодняшнему дню техника гибридизации соматических клеток in vitro, достигла уровня, которая сделала доступными гибриды между клетками даже далеких видов с разными типами молекулярной организации генома, например, между клетками птиц и млекопитающих. Пример: смешивание эритроцитов птиц, ядра которых генетически неактивны, с человеческими клетками HeLa результат дает гибридные клетки с активными эритроцитарными ядрами, в которых синтезируются РНК, ДНК и белки, специфичные для данного вида птиц. Однако в природе едва ли существуют условия, при которых резко нарушается стабильность дифференцированного состояния, а тем более происходит передетерминация. Таким образом, детерминация и дифференцировка не являются следствием количественных или качественных изменений генома (в абсолютном большинстве случаев). Поэтому можно сказать, что в основе этих процессов лежит эпигеномная наследственность, при которой постоянно воспроизводятся соматические клетки надмолекулярной организации хромосом, позволяющей функционировать в каждом типе клеток строго определенным наборам генов. У большинства высших растений геном соматических клеток также репрессирован, и эта репрессия поддерживается эпигеномной наследственностью. Однако в этом случае полная дерепрессия генома в культуре растительной ткани является более частой. Например, соматические клетки моркови и табака могут положить начало полноценным фертильным растениям. В механизме становления детерминации до сих пор многое остается непонятным, однако известно, что у многих животных, например, у амфибий, первичная детерминация зависит в какой-то степени от химической неоднородности различных участков яйцеклетки. Поэтому и детерминация ядер, оказавшихся в ходе дробления в районе вегетативного полюса, будет иной, чем тех, которые попадут в цитоплазму анимального полюса. 3. Транскрипция и амплификация генов в оогенезе, их дифференциальная активность в онтогенезе Транскрипция и амплификация генов в оогенезе. Фактор, обуславливающий дифференцировку цитоплазмы яйца, – функционирование хромосом, которое в наибольшей степени выражено у видов с хромосомами типа ламповых щеток. Вследствие того, что хромосомы этого типа существуют в диплотене и представлены четырьмя хроматидами, на каждом их участке имеется четыре хромомеры и четыре петли. Петли – это участки хромомера с интенсивной транскрипцией. В них легко различается тонкий конец – начало движения РНК-полимеразы, и толстый конец – точка завершения транскрипции. Петли покрыты матриксом – гранулами или фибриллами, состоящими из вновь синтезированной РНК и белка. Некоторые Полесский государственный университет 175 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ петли легко идентифицировать по их специфической морфологии. Было установлено, что число петель у тритонов, у которых хромосомы типа ламповых щеток изучены в наибольшей степени, почти соответствует таковому типов иРНК цитоплазмы. Эта иРНК участвует не только в формировании цитоплазмы яйца – большая часть ее молекул не связана с рибосомами и используется позже во время раннего эмбриогенеза. Нельзя оставить без внимания селективную амплификацию (умножение числа копий) рибосомного гена. Она характерна для некоторых животных, в том числе для амфибий и также является важным генетически обусловленным событием во время оогенеза. Амплификация – это следствие кратного увеличения объема яйцеклетки, сравниваемой со средней соматической клеткой. Такой большой объем клетки в нужной степени заполняется рибосомами благодаря увеличению числа генов рДНК. Рассмотрим это на примере Xenoyus laevis: количество рДНК после амплификации сопоставимо с таковым ДНК диплоидного набора хромосом. Число ядрышек («фабрик» рибосом) увеличивается с 2 до 1500. Молекулярный механизм амплификации сопровождается одной замечательной особенностью – осуществляется по принципу катящегося кольца. Одна копия гена рДНК, оказавшаяся вне хромосомы, образует кольцо с «хвостиком» длиной в несколько десятков микрометров. После циклизации эта образует большое кольцо – основу для формирования ядрышка. Дифференциальная активность генов. В процессе развития, как было отмечено выше, одни гены включаются, другие, наоборот, – утрачивают свою активность. С целью лучшего понимания этого процесса можно вспомнить, ранее рассмотренный нами биогенетический закон Мюллера-Геккеля. Четкая упорядоченность в разрезе разных стадий онтогенеза млекопитающих установлена для работы генов, ассоциированных с гемоглобином. Таких примеров огромное множество. Феногенетики больший интерес представляют случаи, когда дифференциальную активность генов можно прослеживать непосредственно по изменению некоторых особенностей хромосом – особенностям хромосомного фенотипа. В качестве примера можно привести пуфы (рисунок 2) – вздутые районы гигантских политенных хромосомах – следствия декомпактизации отдельных дисков и интенсивного синтеза в них РНК. Пуфы отнесены к функционально-активным тканеспецифичным и стадиеспецифичным генам. Индукция поздних пуфов обусловленными гормонами (в частности, экдизоном – гормоном окукливания в индукции пуфов) и белками, которые синтезируют ранние пуфы. Полесский государственный университет 176 ес ГУ Генетика с основами биометрии П ол Рисунок 2 - Пуфирование гигантских хромосом в клетках слюнных желез дрозофилы под действием экдизона: 1 – экдизон, 2 – рецепгорный белок, 3 – комплекс экдизона и рецепторного белка. 4 – ранний пуф, 5 – иРНК, 6 – белки – продукты раннего пуфа, 7 – регрессия раннего пуфа, 8 – поздние пуфы, возникшие под действием продуктов раннего пуфа Поэтому можно заключить, что переключение генов во время онтогенеза, а, следовательно, и смена фаз индивидуального развития определяются, скорее всего, не только стероидными гормонами и белками. У млекопитающих в регуляции активности генов большое значение имеют стероидные гормоны. Гормоны – это продукты синтеза, протекающего в специализированных клетках внутренних желез. Они идентифицируются в любой части организма. Однако есть гормоны, активирующие работу генов лишь определенных клеток. В данном случае гормоны определяют мишени с помощью своих молекул, специфически связываемых с рецепторными белками клеток. Место образования комплекса (гормон + рецепторный белок) – цитоплазма. После проникновения в ядро, он взаимодействует с определенным негистоновым белком-репрессором хромосомы, снимает его блокировку. В результате данный ген транскрибируется, созревает иРНК. Последняя транспортируется в цитоплазму, где синтезируется белок. 4. Роль генетических факторов в определении продолжительности жизни Продолжительность жизни каждого отдельного вида обусловлена Полесский государственный университет 177 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ генетическими факторами. Даже при идеальных условиях лабораторные мыши живут максимум 3,5 года. В этом виде есть линии коротко- и долгоживущих животных. Средняя продолжительность жизни в первую очередь определяется внешними факторами, чего нельзя сказать о максимальной продолжительности жизни. Например, по результатам последнего века человек стал в среднем жить в два раза дольше. В то же время максимальная продолжительность его жизни почти не изменилась. Генетическая детерминация продолжительности жизни на молекулярном уровне пока раскрыта не в полной мере. Среди всех теорий, наиболее популярно следующее мнение – старение связано с хромосомной ДНК – инициируется накопленными повреждениями в ДНК, постепенно разрушающими систему генетической регуляции. Многочисленные нарушения, затрагивающие внутриклеточную регуляцию, в конечном итоге проявляются на уровне тканей, органов и организма. Поэтому они являются важнейшей характеристикой старения. Группа факторов, негативно сказывающихся на продолжительности жизни, представлена ионизирующим излучением, химическими мутагенами, дефектами репарации ДНК (причина ускорения процесса накопления в геноме повреждений), свободными радикалами (побочными продуктами клеточного метаболизма). Есть мнение, что гены, детерминирующие системы репарации, постепенно выходят из строя вследствие эндогенных факторов – причин накопления ошибок в процессе «текущего ремонта» ДНК вплоть до ее деградации с последующей гибелью клетки. В генной инженерии продолжается активный поиск генов, кодирующих ферменты репарации ДНК, введение которых в организм позволит продлевать жизнь человека, животных. Велика вероятность, что такая перспектива будет реализована в недалеком будущем. Полесский государственный университет 178 Генетика с основами биометрии 7. ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ 7.1 ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОПУЛЯЦИЙ ПЛАН 1. Понятие и типы популяций. 2. Генетическая характеристика популяций апомиктов. 3. Генетическая структура популяций самоопылителей. 4. Генетическая структура панмиктических популяций. 5. Закон Харди-Вайнберга. П ол ес ГУ 1. Понятие и типы популяций Все виды на Земле существуют в форме не разрозненных особей, а их совокупностей. Биологический вид – это совокупность особей, занимающих определенный ареал, имеющих морфологическое, физиологическое, генетическое и поведенческое сходство, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Особи вида расселены на занимаемой ими территории неравномерно. Вследствие этого вид распадается на более мелкие единицы, относительно изолированные друг от друга, – популяции. Изучением генетических процессов на уровне популяции занимается популяционная генетика. Популяционная генетика – наука, изучающая генетический состав, особенности наследования и наследственную преемственность в популяциях организмов. Популяция – это совокупность особей одного вида, длительно населяющих одну территорию, относительно изолированных от других групп особей этого вида, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Совокупность генов популяции называется генофондом. Генофонды популяций составляют генофонд вида. Особи одной популяции имеют разные генотипы (АА, Аа, аа), т.е. обладают генетическим полиморфизмом, в отличие от чистых линий, представляющих совокупность однородных гомозиготных особей (либо АА, либо аа). Популяции называют панмиксными, если в них отсутствуют ограничения свободы выбора партнера для скрещивания. Если скрещивание особей (выбор партнера) имеет ограничения, то такие популяции называют непанмиксными. Большинство естественных популяций являются непанмиксными. По численности особей популяции могут быть большие и малые. Различают естественные популяции (формируются под действием Полесский государственный университет 179 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ естественного отбора) и искусственные (образуются в результате искусственного отбора, проводимого человеком). В естественных и искусственных условиях разведения животных встречаются разные типы популяций: генетическая, или панмиктическая, популяция, для 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. 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; идеальная популяция – реально не существующая популяция. Используется как математическая модель для решения вопросов популяционной генетики и теоритической селекции. Для изучения генетической структуры популяций, динамики величины ее параметров при смене поколений и при воздействии различных факторов используют следующие основные методы: метод генетического анализа, при котором изучают фенотипические качества родителей и потомства, при этом выясняют характер наследования отдельных признаков в группах потомков; 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; 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 моделировать генетические процессы, происходящие в популяции в ряде поколений, и определить их перспективу; эколого-физиологический метод, при котором устанавливают влияние факторов среды на состояние популяции и степень реализации генетического потенциала в фенотипическом проявлении признаков по физиологическим, интерьерным и экстерьерным показателям. Метод может выявить приспособленность фенотипов к условиям обитания, что особенно важно при современной технологии ведения животноводства. Полесский государственный университет 180 Генетика с основами биометрии 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. П ол ес ГУ 2. Генетическая характеристика популяций апомиктов Апомиксис – это один из способов бесполого размножения. Он наблюдается у некоторых видов растений (роды Rubus, Potentilla, Hypericum, Hieracium, Crepis и др.), у которых размножение происходит посредством настоящих семян, но они образуются без оплодотворения. При апомиксисе яйцеклетка содержит нередуцированный набор хромосом вследствие изменения процесса мейоза. Такая яйцеклетка развивается партеногенетически. Апомиксис исключает оплодотворение, а также генетическое расщепление. Поэтому генетический состав апомиктической популяции меняется незначительно. При апомиксисе в популяции образуются клоны с изогенными особями, которые повторяют признаки родительских. В связи с этим и генетическая структура, и фенотип популяции относительно однородны. Превалирующим типом изменчивости здесь следует считать модификации; комбинативная изменчивость практически исключается, а привнос спонтанных мутаций невелик. В условиях оптимальной «пригонки» популяции к определенным экологическим условиям апомикты хорошо выживают и широко распространяются. Однако изменение условий обитания может привести их к вымиранию, так как среди генетически однородных особей не окажется рекомбинантов, придающих популяции определенную пластичность в процессе приспособления к новой среде. 3. Генетическая структура популяции самоопылителей Генетическая структура популяции самоопыляющихся организмов (семена злаковых – ячмень, пшеница; семена бобовых) характеризуется известной степенью гомозиготности особей по ряду генов. Самоопыление, приводя к гомозиготации особей, вовсе не делает популяцию генетически однородной. При самоопылении особей, гетерозиготных по одной паре аллелей, например, Аа, в ряду поколений будет постоянно уменьшаться число гетерозигот, но при этом выщепятся по крайней мере две генетически неодинаковые гомозиготные частые линии: АА и аа. Если учесть, что гомозиготация идет не по одной, а по многим парам аллелей, легко предположить, сколько чистых линий с различной комбинацией гомозигот по каждой паре аллелей может образоваться в популяции. Например, Полесский государственный университет 181 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ гомозиготация по двум парам аллелей приведет к формированию четырех чистых линий: ААВВ, ААвв, ааВВ и аавв. Чистая линия представляет собой потомство одного гомозиготного организма. Особи в пределах чистой линии генетически однородны и имеют сходный фенотип – различия особей внутри чистой линии носят, как правило, модификационный характер (например, у злаков одного вида сходные по генотипу особи могут различаться по длине колоса, числу колосков в колосе, размеру и весу семян). Не исключается и возможность нарушения генетической чистоты линии за счет возникновения мутаций. Популяция самоопылителей состоит из чистых линий и потому генетически и фенотипически неоднородна. Фонд генетической изменчивости такой популяции составляют фенотипические и генотипические различия между чистыми линиями. Прекрасной иллюстрацией этого являются селекционные опыты (отбор по весу семян) в популяциях и чистых линиях фасоли, проведенные В. Иоганнсеном в 1903 г. Изменчивость по весу семян в исходной популяции фасоли выражалась вариационной кривой, где крайние значения веса семян составляли 150 и 750 мг. Иоганнсен провел отбор и в дальнейшем отдельно высевал семена с весом 250 – 350 мг и 550 – 650 мг. В потомстве средний вес семян был соответственно 443,4 и 518,7 мг. При дальнейшем отборе крупных и мелких семян в чистых линиях изменения среднего веса семян не наблюдалось ни в одном из последующих шести поколений. На основании полученных данных Иоганнсен сделал вывод, что изменчивость особей в пределах чистых линий ограничивается модификациями и потому отбор в них бесперспективен. Отбор действует лишь на популяцию, так как она представляет собой генетически неоднородный материал. Исследования Иоганнсена – хорошая теоретическая основа для селекции. Генетически грамотный селекционер не станет вести отбор по признаку у самоопылителей в пределах чистой линии, ибо он успехов не принесет. Таким образом, в популяции самоопылителей наблюдается тенденция к гомозиготации и распаду популяции на генетически однородные чистые линии. Однако в связи с тем, что наряду с самоопылением иногда возможно перекрестное опыление, а также вследствие постоянно возникающих мутаций в популяции всегда сохраняется известный уровень гетерозиготности по отдельным локусам. Это обуславливает определенную пластичность ее в процессе приспособления к среде обитания. Если же при гомозиготации в популяции происходит выщепление вредных мутаций, это нередко приводит к депрессии ее и даже вырождению. 4. Генетическая структура панмиктических популяций К популяциям перекрестноразмножающихся организмов относятся Полесский государственный университет 182 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ популяции большинства видов животных и растений, размножающихся половым путем посредством свободного скрещивания особей друг с другом. Предполагается, что в такой популяции все особи обладают одинаковой вероятностью к случайному свободному скрещиванию, которое называется панмиксией. Особенности и закономерности наследственности и изменчивости в популяции перекрестноразмножающихся организмов обычно исследуются на примере панмиктической популяции, где случайное свободное скрещивание особей протекает при отсутствии отбора. Естественно, что существование столь идеальной популяции в природе маловероятно. При перекрестном размножении в популяции идет постоянная, непрерывная гибридизация, результатом которой является максимальная гетерозиготность ее по многим генам. В основе гетерозиготности популяции лежат такие явления, как генетическая разнородность особей, вступающих в скрещивание, и постоянный процесс рекомбинации генов при перекрестном половом размножении. Следовательно, гибридные особи каждого последующего поколения имеют шансы все более отличаться друг от друга, а также от особей предыдущих поколений и генотипически, и фенотипически. Свободное скрещивание особей с непрерывным процессом возникновения новых комбинаций генов, на первый взгляд, может привести к беспорядочной изменчивости популяции. Однако именно свободное скрещивание предохраняет ее от хаоса в наследовании и приводит к состоянию относительного равновесия генотипов, аллелей и фенотипов. С.С. Четвериков писал: «В самом механизме свободного скрещивания заложен аппарат, стабилизирующий численности компонентов данного сообщества. Всякое изменение соотношения этих численностей возможно только извне и возможно только до тех пор, пока действует та внешняя сила, которая это равновесие нарушает». На самом деле, если предположить, что аллели по одному локусу встречаются в популяции с одинаковой частотой, например, А = а = 0,5, и в каждом поколении женские и мужские особи продуцируют с одинаковой частотой гаметы А и а, то с помощью решетки Пеннета легко проследить, что после одной генерации в популяции сохранится такое же соотношение аллелей (таблица 1). Таблица 1 – Распределение частот генотипов в условиях свободного скрещивания при равном соотношении А и а Мужские гаметы 0,5 А 0,5 а Полесский государственный университет Женские гаметы 0,5 А 0,25 АА 0,25 Аа 0,5 а 0,25 Аа 0,25 аа 183 Генетика с основами биометрии ГУ Частота аллеля А в гибридном потомстве составит 0,25 (АА) + 0,25 (Аа) = 0,5; аллеля а – 0,25 (аа) + 0,25 (Аа) = 0,5. В данном случае свободное скрещивание не нарушило генного равновесия в популяции. Эта закономерность обнаруживается и при других соотношениях частот аллелей, например, А = 0,6; а = 0,4. В 1904 г. К. Пирсон установил закон стабилизирующего скрещивания, который в 1908 г. подтвердили математик Г. Харди и врач В. Вайнберг, предложив независимо друг от друга формулу (формула Харди-Вайнберга), отражающую характер распределения аллелей, генотипов и фенотипов в популяции. Обозначив частоту гена А буквой р, а гена а – q, с помощью решетки Пеннета можно представить в обобщенном виде распределение аллелей в популяции (таблица 2). Таблица 2 – Распределение частот генотипов в условиях свободного скрещивания при заданных соотношениях гамет Самки рА qа рА р2АА рqАа ес Самцы qа рqАа q2аа П ол В условиях свободного скрещивания соотношение аллелей и генотипов в описанной популяции будет выглядеть следующим образом: р2АА: 2pqAa: а2аа. Сущность закона стабилизирующего скрещивания, как пишет Четвериков, сводится к тому, что «в условиях свободного скрещивания при любом исходном соотношении численности гомозиготных и гетерозиготных родительских форм в результате первого же скрещивания внутри сообщества устанавливается состояние равновесия...» и, как бы не было нарушено извне это равновесие, «...в результате первого же за тем скрещивания внутри сообщества устанавливается новое равновесие и сохраняется до тех пор, пока какая-нибудь внешняя сила вновь не выведет его из этого состояния». Формула Харди-Вайнберга отражает соотношение в популяции особей с доминантными и рецессивными признаками, относительную частоту гомозигот и гетерозигот, частоту аллелей по одному локусу. С помощью этой формулы можно рассчитать в заданной популяции указанные частоты. Таким образом, пользуясь формулой Харди-Вайнберга и имея данные по частоте встречаемости в популяции какого-либо рецессивного признака (например, альбинизм, глухота), можно определить примерную частоту гена и гетерозиготных носителей его в популяции. Она демонстрирует связь между частотами аллелей одного гена, соотношение в популяции особей с генотипами АА, Аа и аа, отражает закономерности наследования только в Полесский государственный университет 184 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ панмиктических популяциях и для самоопылителей неприменима. Однако и в популяциях свободно скрещивающихся особей эта формула пригодна лишь для простых случаев моногенного аутосомного наследования. При этом частота определенных фенотипов зависит не только от частоты аллеля, но и от того, доминантен он или рецессивен. Проявление доминантного признака в свою очередь связано как с частотой контролирующего его гена в популяции, так и со степенью выраженности (экспрессивности) и пенетрантности самого признака. Формула Харди-Вайнберга может быть применима для определения частот генов и генотипов лишь на какой-то данный момент в заданной популяции, где соблюдаются следующие необходимые условия: популяция должна быть достаточно многочисленной, чтобы избежать ошибок в статистическом анализе; все особи популяции должны обладать одинаковой вероятностью к скрещиванию; все особи должны с одинаковой вероятностью образовывать все типы гамет; все типы гамет должны быть одинаково жизнеспособными; мутации гена, по которому ведется расчет, должны быть очень редкими, чтобы их частотой можно было бы пренебречь, или же частота прямых и обратных мутаций должна быть одинаковой; все особи должны быть одинаково жизнеспособными, т. е. исключается действие естественного отбора; популяция должна быть максимально изолированной, а процессы миграции редкими или же вовсе отсутствовать. Эти условия в природных популяциях нереальны. Популяция постоянно меняет свою генетическую структуру вследствие возникновения новых мутаций, действия естественного отбора, миграции особей одной популяции в другую и т. д. Изменение равновесного состояния по аллелям и генотипам в популяции характеризует изменчивость ее, т. е. генетическую динамику. В системах браков панмиктических популяций выделяют неизбирательные браки (аутбридинг), предполагающие случайный подбор пар. Эти браки играют основополагающую роль в генетике популяций. В этом случае допускается, что генотипы людей не различаются по жизнеспособности и плодовитости, мутации не происходят и популяция достаточно велика, чтобы обеспечить случайность при встрече гамет. Отклонения от панмиксии происходят в случаях, когда люди, состоящие в родстве, могут вступать в брак чаще или реже, чем при случайном подборе пар. Такие браки называют кровнородственные браки (инбридинг). Тесный инбридинг брата и сестры допускался лишь в очень редких случаях. Наиболее распространенный тесный инбридинг – браки между племянницей и дядей, между тетей и племянником или между двоюродными братом и сестрой. Полесский государственный университет 185 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Кровнородственные браки запрещены во многих странах. Запрет связан с увеличением гомозиготности рецессивных признаков у их детей. Родство – понятие весьма неопределенное. Родственниками определяются те лица, часть генов которых общие по происхождению. В эволюционном смысле все люди состоят в родстве, так как имели общих предков. Поэтому при рассмотрении степени родства предполагают существование гипотетической популяции, индивидумы которой не состояли в родстве признавать в настоящее время все человечество родственниками не имеет смысла. Для того чтобы исследовать мутации и влияние кронного родства на их фенотипическое проявление, принято определять степень кровного родства. С этой целью анализируют не менее трех поколений. Такое ограничение первоначально было связано с практическими соображениями, так как у католиков требовалось специальное разрешение на брак между троюродными сибсами или более близкими родственниками. Поскольку в популяциях встречаются различные типы кровнородственных браков, необходимо оценивать степень родства в этих популяциях. Для оценки уровня инбридинга в настоящее время предложено пользоваться «коэффициентом инбридинга», предложенным Райтом (1885). Он тесно связан с «коэффициентом родства» Малеко. Разница между этими коэффициентами в том, что коэффициент родства определяется только для двух индивидов, которые могут иметь общих предков. Коэффициент родства (Фдд) – это вероятность того, что случайно выбранный ген, принадлежащий особи А, идентичен гену того же локуса у особи В. Коэффициент инбридинга определяется для одного индивида и характеризует степень связи между его родителями. Коэффициент инбридинга (F) – это вероятность того, что два аллеля в данном локусе идентичны по происхождению. В реальных ситуациях вычисление коэффициента родства (Ф) необязательно, т.к. степень родства в популяциях обычно известна. При анализе конкретных родословных иногда рассчитывают коэффициент инбридинга. 5. Закон Харди-Вайнберга Иногда при описании генетической изменчивости по данному локусу удобнее оперировать не частотами генотипов, а частотами отдельных аллелей. Это вызвано тем, что различных аллелей бывает меньше, чем генотипов. При двух аллелях число различных генотипов равно трем (АА, Аа, аа), при трех аллелях – шести, а при четырех – десяти. В общем случае если число различных аллелей одного локуса равно К, то число возможных генотипов равно К (К + 1) /2. Предположим, что популяция состоит из N диплоидных особей, а исследуемый локус представлен двумя аллелями. Через D обозначим число гомозигот по одному аллелю (АА); через Н – число гетерозигот (Аа); через R – Полесский государственный университет 186 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ число гомозигот по-другому аллелю (аа). Тогда D + Н + R = N. Поскольку каждая особь имеет два аллеля, то можно рассчитать их число и долю в популяции. Так, число аллелей А равно 2D + Н, а доля их в популяции составит (2D+H) /2N, так как N особей содержит 2N аллелей. Величина эта обозначается через Р и носит название частоты аллеля А. Число другого аллеля (а) 2 R + H, а доля его в популяции будет равна (2R + Н) /2N. Частоту другого аллеля принято обозначать через q. Соотношение частоты доминантного и рецессивного аллелей и частоты гомозиготных (АА, аа) и гетерозиготных (Аа) генотипов выражают в процентах или долях единицы и называют генетической структурой популяции. Заметим, что сумма всех частот аллелей, так же, как и сумма всех частот генотипов, всегда должна быть равна единице. Если имеется два аллеля с частотами p и q, то р + q = 1, а если три аллеля с частотой р, q, r, то p+q + r = 1. Законы Менделя ничего не говорят о частотах генотипов в популяциях. Именно об этих частотах идет речь в законе Харди-Вайнберга. Основная суть закона состоит в том, что в отсутствие элементарных эволюционных процессов, а именно, мутаций, отбора, миграции и дрейфа генов, частота генов остается неизменной из поколения в поколение. Этот закон утверждает также, что если скрещивание случайно, то частота генотипов связана с частотой генов простыми (квадратичными) соотношениями. Закон Харди-Вайнберга был сформулирован в 1908 г. независимо друг от друга математиком Г. Харди в Англии и врачом В. Вайнбергом в Германии. Из этого закона вытекает следующий вывод: если частота аллелей у самцов и самок исходно одинакова, то при случайном скрещивании равновесная частота генотипов в любом локусе достигается за одно поколение. Равновесие Харди-Вайнберга для двух аллелей: Частота Частота женских гамет мужских р(А) q(а) гамет р(А) р2(АА) рq(Аа) q(а) рq(Аа) q2(аа) Проведя анализ таблицы, получим выражение: р2(АА) + + 2pq(Aa) + q2(aa) = 1 которое представляет собой формулу закона Харди-Вайнберга. Согласно этой формуле, количество гомозигот в популяции (как доминантов, так и рецессивов) равно соответственно квадратам концентрации их аллелей. Количество гетерозигот равно удвоенному произведению концентраций обоих аллелей. Популяция с таким распределением генотипов находится в состоянии Полесский государственный университет 187 Генетика с основами биометрии ГУ равновесия. На основании изложенного можно сделать выводы: частоты аллелей не изменяются от поколения к поколению. Частота аллеля А в потомстве равна сумме частоты генотипа АА и половине частоты генотипа Аа, т.е. равна р2 + pq = р (р + q) = р (поскольку р + q = 1); так как частоты аллелей у потомства остаются такими же (р и q), какими были у родителей, то и частоты генотипов в следующем поколении также останутся неизменными и равными р2, 2pq и q2; равновесные частоты генотипов достигаются за одно поколение. Какими бы ни были частоты генотипов родителей, частоты генотипов потомков будут р2, 2pq, q2, если частоты аллелей у самцов и самок одинаковы и равны р и q. П ол ес Дополнительная информация Расы человека Расы определяют, как популяции одного и того же вида, несколько отличающиеся в генетическом отношении, но репродуктивно не изолированные друг от друга. Расы не обязательно представляют собой новые виды, так как процесс расовой дифференциации является обратимым. У человека расовая дифференциация сглаживалась на протяжении нескольких последних столетий за счет межрасовых браков и миграции населения. Для образования рас необходимо, чтобы поток генов не был интенсивным, иначе расы сливаются и формируется единый генофонд. К. Линнем были выделены разновидности четырех рас человека (африканская, азиатская, американская и европейская). В 1775 г. Блуменбах выделил 5 наиболее известных «цветных» рас человека: белую, или кавказскую (или европеоидную); желтую, или монгольскую (или монголоидную); черную, или эфиопскую; красную, или американскую; коричневую, или малайскую. Хотя расы выделены только по цвету кожи, но этнические группы различаются по многим другим признакам, например, черты лица, строение волос, телосложение и т.д. (таблица 3). Популяционно-генетические исследования показали, что распределение наследственных болезней среди различных рас народностей в различных странах неравномерно (таблицы 4, 5). Полесский государственный университет 188 Генетика с основами биометрии Таблица 3 – 9 географических рас и 34 локальные расы человека (S. Corn, 1961) Географические расы 1. Европейская 2. Индийская 3. Азиатская 4. Индейская 5. Африканская 6. Меланезийскопапуаская 7. Австралийская 8. Микронезийская 9. Полинезийская 18. Восточноафриканская 19. Суданская 20. Негритянская (тропические леса) 21. Банту 22. Бушменская и готеннтотская 23. Африканские пигмеи 24. Дравидская 25. Негритосская 26. Меланезийско-папуасская 27. Муррейская (аборигены юга Австралии) 28. Карпентарийская (Аборигены севера Австралии) 29. Микронезийская 30. Полинезийская 31. Новогавайская 32. Ладинская 33. Негры Северной Америки 34. Негры Южной Америки П ол ес 1. Северо-западная европейская 2. Северо-восточная европейская 3. Альпийская 4. Средиземноморская 5. Индусская 6. Тюркская 7. Тибетская 8. Северная китайская 9. Классическая монголоидная 10. Эскимосская 11. Юго-восточная азиатская 12. Айнская 13. Лопарская (саамская) 14. Североамериканские индейцы 15. Центральноамериканские индейцы 16. Южноамериканские индейцы 17. Огнеземельская ГУ Локальные расы Полесский государственный университет 189 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Таблица 4 – Наследственные болезни, характерные для различных этнических групп (О. Милунски, 1981) Этническая группа Наследственные болезни Африканцы Гемоглобинопатия, в особенности HbS, HbC, альфа- и бета-талассемия. Недостаточность лактазы у взрослых. Недостаточность глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы, африканский тип Южные африканцы, армяне, евреи- Южноафриканская порфирия. ашкенази Синдром Блума. Деформирующая мышечная дистония. Семейная дизавтономия. Болезнь Тея-Сакса. Синдром Меккеля. Болезнь НиманнаПика. Недостаточность фактора IX (свертываемость крови). Пентозурия. Болезнь Гоше (форма взрослых) Китайцы Талассемия (альфа). Недостаточность лактазы у взрослых. Недостаточность глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы, китайский тип Эскимосы, финны Врожденный нефроз. Аспартилглюкозаминурия Ирландцы Дефект нервной трубки. Фенилкетонурия Японцы и китайцы Акаталазия. Болезнь Огучи. Общий наследственный дисхромоз Итальянцы, греки, евреи-сефарды Недостаточность глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы, средиземноморский тип. Болезнь глюкогенного Депо. Семейная средиземноморская лихорадка. Бета-талассемия Норвежцы Лимфатический отек. Фенилкетонурия Полесский государственный университет 190 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Таблица 5 – Распространенность доминантных и рецессивных заболеваний в Европе (О. Милунски, 1981) Аутосомно-доминантные Аутосомно-рецессивные наименование наименование частота, % частота, % болезни болезни Хорея Гентингтона 0,50 Муковисцидоз 0,50 Нейрофоброматоз Фенилкетонурия 0,40 0,10 классическая Миотоническая Нейрогенная дистрофия 0,20 мышечная 0,10 атрофия Слепота Серповидно0,10 0,10 клеточная анемия Гиперхолестеринемия 2,00 Глухота 0,20 Поликистоз почек 1,00 Слепота 0,20 Синдром Марфана Умственная 0,04 отсталость 0,50 неспецифическая Ахондроплазия 0,02 Цистинурия 0,60 Синдром ЭлерсаГалактоземия 0,02 Данлоса 0,01 Болезнь Тея0,04 Сакса Полесский государственный университет 191 Генетика с основами биометрии 7.2 ФАКТОРЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ ПОПУЛЯЦИЙ ПЛАН 1. Основные факторы генетической динамики популяций: 2. Генетический груз. П ол ес ГУ 1. Основные факторы генетической динамики популяций Распределение генотипов в популяции может быть постоянным в течение определенного периода времени. Это состояние популяции называется гомеостазом. В то же генетическая структура пластична – изменяется под действием внешних и внутренних факторов. К основным факторам, влияющим на генетическую структуру популяций в ходе эволюции, относятся: o генные и хромосомные мутации; o дрейф генов; o естественный и исскуственный отбор; o миграции или поток генов; o изоляция; o способ размножения и другие. Мутации, приводящие к изменению генетической структуры популяций: точковые или генные – происходят на уровне аллелей в результате нарушения копирования пар азотистых основанний в молекуле ДНК; хромосомные – следствие хромосомных перестроек (аберраций) или изменения числа хромосом. По причине мутаций увеличивается доля гетерозиготных особей, которые могут лучше или хуже приспосабливаться к условиям обитания (содержания). Поэтому мутации можно разделить на положительные и отрицательные. Возможные результаты точковых мутаций: переход доминантной аллели в рецессивную (прямые мутации); замена рецессивной аллели на доминантную (обратные мутации). В естественных популяциях частота таких мутаций равна 10-5. Степень влияния их на частоту генов незначительна. Судьба мутантного гена определяется: его состоянием (доминантностью или рецессивностью); характером его действия (летальным, полулетальным или нейтральным); характером следствий (морфологическими, биохимическими) мутантного аллеля; взаимодействиями с другими генами. Чем больше популяция, тем дольше мутантный рецессивный ген Полесский государственный университет 192 Генетика с основами биометрии ес ГУ находится в гетерозиготном состоянии, чем популяция меньше, тем быстрее такой ген переходит в гомозиготное состояние. Во втором случае вследствие отбора генотип аа исчезает или сохраняется в последующих поколениях. На частоту генных и хромосомных мутаций также влияют отбор, сила его давления и направление. В животноводстве при помощи искусственного отбора отбираются особи с желательными мутациями, что позволяет селекционерам совершенствовать существующие и создавать новые породы животных. Этот вариант использования мутационной изменчивости наибольшее распространение получил в пушном звероводстве, кролиководстве, птицеводстве, аквариумном рыбоводстве, декоративном собаководстве. Еще один из результатов мутационного процесса – генетический полиморфизм, под которым понимают образование частот аллелей гомозиготных по доминантным, гетерозиготных и гомозиготных по рецессивным генам. Полиморфизм обеспечивает существование популяций. Важный источник образования новых генотипов – рекомбинация аллелей при образовании дочерних клеток в процессе мейоза, которая делает популяции генетически более разнообразными. Генотипическая изменчивость в этом случае может быть выражена следующей формулой: (1) , (2) , П ол где: х – число возможных рекомбинаций; n – число хромосом в гаплоидном наборе. Согласно Е.К. Меркурьевой (1977 г.), число возможных генотипов (р) в популяции также зависит от числа локусов (r) и числа аллелей в локусе (n): Частота появления мутаций – это доля гамет с изменениями данного гена. Для высших организмов данная величина равна 105-106 на локус за поколение. Если в пределах одного поколения мутация затронула один аллель из 100000 подобных аллелей, то скорость мутирования составит 1:100000, что равно 10-5 на одну гамету за поколение. Частота аллеля уменьшается пропорционально частоте мутаций и частоте этого аллеля в популяции. То есть, изменение частоты за поколение будет падать по мере уменьшения частоты аллеля. Если частота мутирования аллеля составляет 10-5 на гамету за поколение, то для изменения скорости мутирования с 1 до 0,99, потребуется 1000 поколений, а с 0,5 до 0,49 – 2000 поколений. Один из факторов, влияющих на генетическую динамику популяции, – миграция, в процессе которой гены поступают в конкретную популяцию за Полесский государственный университет 193 Генетика с основами биометрии (3) П ол ес ГУ счет особей из других популяций. Миграция – это причина потока генов, который очевиден в популяциях сельскохозяйственной птицы – обеспечивается за счет использования импортного или отечественного племенного материала, но с других хозяйств. То есть за счет вывоза и выбраковки особей уменьшается поток генов, изменяются частоты аллелей в популяции. Рассмотрим изменение частоты генов под влиянием ввода в популяцию (или вывода из нее) особей из другой популяции на примере стада коров голштинской породы. Число особей в популяции – 5000 голов. Распределение частот генотипов: АА – 2000 голов; Аа – 2500 и аа – 500 голов. Расчет частоты аллеля А: . Тогда частота аллеля а составит 0,35 (pa = 1 - pA. = 1 – 0,65 = 0,35). В исходную популяцию ввели 3000 коров, из которых генотип АА был у 1250 особей. Следовательно, частота аллеля А введенных коров равна 0,50 (рассчитывается аналогичным образом). В результате такой миграции получим: распределение генотипов: АА – 3250; Аа – 3000 и аа – 1750; частота аллеля А – 0,59; частота аллеля а. Зависимость генной частоты популяции от миграции особей можно определить следующим образом: где: – частота аллеля а в смешанной популяции; – частота аллеля а в группе мигрирующих особей; – частота аллеля а в исходной популяции; m – доля вновь вводимых особей по отношению к их общему поголовью вместе с особями исходной популяции. Генетический дрейф одновременно и независимо друг от друга описали в 1931 г. Н.П. советские ученые Дубинин и Д.Д. Ромашовым, а также английский генетик С. Райт. Разновидности дрейфа генов: эффект основателя; «бутылочное горлышко». Эффект основателя. Малая популяция, берущая свое начало из большей, может представлять, а может и не представлять генетический состав исходной популяции. Если аллели в большой популяции очень редки, то закономерно предположить, что их вовсе не будет в малой. Или, наоборот, меньшую популяцию составят особи преимущественно с этими аллелями. Выходит, что даже при последующем росте малой популяции, ее генетический состав будет розниться от такового у материнской популяции. Это и есть эффект основателя. Полесский государственный университет 194 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ «Бутылочное горлышко». Такое явление можно наблюдать при резком уменьшении численного состава популяции под действием событий, не относящихся к механизму естественного отбора. В основе дрейфа генов лежит зависимость генетической структуры популяции от ее размера. Уменьшение количества особей в популяции ведет к повышению вероятности случайных изменений концентрации отдельных генов и, соответственно, к ускорению наступления гомозиготного состояния в локусе у всех особей популяции. Если говорить о стаде племенных животных, содержащихся в одном хозяйстве, такая популяция является ограниченной. В ней причинами нарушения равновесия частот генов служат случайные или так называемые генетико-автоматические процессы, протекающие при ограниченном выборе родительских гамет, участвующих в оплодотворении при получении следующей генерации. На практике установлено, что родственное спаривание в течение нескольких поколений повышает степень влияния генетического дрейфа на структуру популяции. Ч. Дарвин считал естественный отбор главным движущим фактором эволюции. В процессе естественного отбора выживают наиболее приспособленные формы. Естественный отбор возможен в силу способности каждой особи каждого вида неограниченно размножаться. В то же время численность взрослых особей обычно постоянна, причиной чему служит частичная гибель потомков по причине их борьбы за выживание. Поэтому до взрослого состояния доживают немногие. В качестве примера можно привести воробьиную пару. Количество потомков, получаемых за 10 лет, в этом случае составляет 200 млрд особей. Несложно представить, что при таком темпе размножения за несколько десятилетий наша планета покрылась бы этими птицами. Такую перспективу исключает естественный отбор – поддерживает численность взрослых воробьев более или менее на одном уровне. Поскольку все появляющиеся на свет особи различны, то сохранятся и дадут потомство только те из них, которые в данных условиях отличаются от других особей какими-либо незначительными признаками и свойствами. Особи, оставляющие больше жизнеспособных потомков и вносящие больший генетический вклад в генофонд следующего поколения, являются более приспособленными к данным условиям среды. Понятие приспособленности (адаптивной ценности) включает в себя: 1. Жизнеспособность – вероятность выживания до репродуктивного периода. 2. Оставление потомства носителем конкретного генотипа по сравнению со средней приспособленностью других, то есть количество произведенных потомков – членов популяции. Полесский государственный университет 195 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Любая природная популяция представлена генотипами, частоты которых в каждом последующем поколении определяется отбором, в том числе его направленностью и интенсивностью против соответствующих генотипов. Объекты естественного отбора – особи природных гетерогенных и полиморфных популяций, а не отдельные аллели признака. То есть отбирается не какой-то отдельный признак, а их совокупность, фенотип. Поэтому эффективность отбора зависит от степени наследуемости признака и степени влияния средовых факторов. Пример: если в структуре факторов, обуславливающих изменчивость какого-то признака, на долю генетики приходится 20-25%, то эффективность отбора по нему будет значительно ниже, чем по признаку, изменчивость которого на 70-75% детерминируется генетическим разнообразием. В современном понятии отбор – это сохранение более приспособленных к определенным жизненным условиям и технологии производства особей или выбор человеком соответствующих его требованиям и устранение менее приспособленных, худших экземпляров. На динамику генетической структуры популяций большое влияние оказывает давление отбора – интенсивность его действия в зависимости от жизнеспособности и плодовитости конкурирующих форм. Для изучения интенсивности отбора введено понятие коэффициент селекции, показывающий степень преимущества данного генотипа по жизнеспособности и плодовитости. К факторам, влияющим на эффективность отбора, так же относятся: продолжительность жизни; частота смены поколений; размер популяции; дрейф генов. Формы отбора, выделенные в современном эволюционном учении: стабилизирующая; движущая (ведущая); дизруптивная (разрывающая). Теория стабилизирующего отбора была предложена русским учѐным И.И. Шмальгаузеном в 30-40-х гг. XX в. Условие сохранения численного превосходства генотипов – относительная стабильность абиотических, биотических факторов и условий внешней среды. Все уклонения от этой группы генотипов будут уничтожаться. Таким образом, при естественном отборе будут закрепляться в популяции, стабильно существующие генотипы. Стабилизирующий отбор является простейшей формой естественного отбора. Его действие становится очевидным при резких изменениях условий среды, когда возрастает общая изменчивость организмов, выражение которой в целях сохранения приспособленности необходимо закрепить. Полесский государственный университет 196 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Под действием факторов среды в популяции одни количественно преобладающие генотипы заменяются другими. За стабилизирующей формой отбора следует движущая форма. При движущем отборе на фоне изменяющихся условий внешней среды популяция сохраняется, но уже с несколько другой генетической структурой. Пример: популяции мутантных форм насекомых, причиной появления которых стало широкое использование в 50-е гг. XX в. хлорорганических и фосфорорганических ядохимикатов. В этом случае можно говорить о том, что отбор сдвинул направление эволюции этих популяций насекомых. Дизруптивный отбор сохраняет в популяции одновременно два крайних типа мутаций. В результате в популяции остаются мелкие, локально приспособленные группы, каждая из которых может положить начало самостоятельной популяции. Дизруптивный отбор – это механизм возникновения и поддержания в популяциях устойчивого полиморфизма. В животноводстве широко применяется направленный (методический) отбор. Он обеспечивает изменение среднего значения селекционного признака у потомков в желательном направлении для селекции при одновременном сужении генетической и фенотипической изменчивости. Направленный отбор приводит к значительному сдвигу средней величины признака в сторону, соответствующую поставленной цели селекционером. Так же он способствует совершенствованию имеющихся и выведению новых высокопродуктивных пород, линий и кроссов животных. Если планируется получение животных с противоположным уровнем продуктивности или стоит задача изучить наследственность и генетическую корреляцию количественных признаков, применяют дивергентный отбор, идущий по двум направлениям и делящий популяцию на популяционные группы, различающиеся между собой по генотипам и фенотипам. При переводе животноводства на промышленную основу особое значение приобретает технологический отбор, при котором отбирают особей, приспособленных к экстремальным условиям содержания и кормления. Каждый селекционер должен помнить, что даже выбраковка из стада животных-носителей вредных аллелей не полностью очищает стадо, так как гетерозиготные генотипы являются носителями рецессивных генов, следовательно, необходимо выявить носителей вредных аллелей, проводя анализ родословных и родственных связей. Внутривидовая изоляция популяций друг от друга – это прекращение потока генов. Изоляция на протяжении ряда поколений может привести к дивергированию или к дифференцировке популяций по генотипической структуре, особенно если отбор действует в разных направлениях. Дифференциация таких популяций может дать начало новым видам. Изоляцию обеспечивают географические, или территориальномеханические, и биологические факторы. Биологические факторы изоляции в Полесский государственный университет 197 Генетика с основами биометрии ГУ конечном итоге основаны на генетических факторах. Даже поведенческие (этологические) факторы изоляции базируются на генетических различиях особей. В то же время следует выделить собственно генетические факторы изоляции: полиплоидию; хромосомные перестройки; ядерно-цитоплазматическую несовместимость; несовместимость экспрессии отдельных генов вследствие их мутационных изменений. Генетические факторы изоляции увеличивают вероятность скрещивания между родственными особями, повышая степень инбридинга в популяциях. Те или иные формы изоляции лежат в основе видообразования и приводят к различной экологической специализации биологических форм, к освоению ими новых экологических ниш. П ол ес 2. Генетический груз. Под генетическим грузом популяции подразумевают распространение в популяции скрытых рецессивных генов. Он оказывает двоякое влияние на популяцию: во-первых, служит скрытым источником генетической изменчивости, без которой невозможно непрерывное приспособление к среде популяций; во-вторых, может ухудшать приспособленность особей в результате действия вредных аллелей (в том числе и летальных) и снижения жизнеспособности, плодовитости особей. Ф.Г. Добжанский (1965 г.) предложил считать генетическим грузом отклонения уровня признаков от адаптивного уровня в сторону уменьшения его уровня (-2 ). За адаптивную норму принимают приспособленность гетерозигот (Аа). Генетический груз по Н.П. Дубинину – это не только летальные гены, переходящие в гомозиготное состояние, но и весь спектор мутаций, понижающих адаптивные свойства особей. Генетический груз может быть мутационным, сбалансированным и переходным. Мутационный генетический груз возникает по причине 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 генотипы аа как менее приспособленные. Общий генетический груз создается суммарным действием генетических грузов отдельных локусов. Сбалансированный генетический груз обусловлен влиянием Полесский государственный университет 198 Генетика с основами биометрии ес ГУ полиморфизма с преимущественным сохранением генотипов в гетерозиготном состоянии (ВВ < АВ > АА) и при проявлении сверхдоминирования (Аа > АА). Если генетический груз сбалансирован в генотипах АВ или Аа, то особи, у которых наблюдается гетерозиготность, проявляют более высокую приспособленность к условиям среды, что повышает их жизнеспособность. Данный факт подтверждает положительное действие полиморфного состояния локусов многих ферментных белков, расширяющих приспособленность организмов, так как гетерозигота обладает большой возможностью реакции на разнообразие условий среды. Переходный генетический груз обусловлен тем, что адаптивный аллель может утрачивать свои свойства при определенных условиях, а действие нового аллеля еще не достигло адаптивного уровня. Тогда генетический груз создается за счет присутствия исходного аллеля. Уровень генетического груза выражается числом летальных эквивалентов. Один летальный эквивалент равен одному летальному гену, обуславливающему смертность со 100%-ной вероятностью, или двум летальным генам при 50%-ной смерти. Величину генетического груза определяют по формуле Мортона logS=A+BFX, (4) П ол где: S – часть потомства, оставшаяся в живых; А – это смертность, измеряемая летальным эквивалентом в популяции при условии случайных спариваний (FX =0), плюс смертность, обусловленная внешними факторами; В – ожидаеммое увелечение смертности, когда популяция становится полностью гомозиготной (FX = 1); FX – коэффицент инбридинга. Расчеты генетичсекого груза в популяциях молочного скота, коз и кур, проведенные в Японии, дали следующие результаты: у голштинского скота – 1 летальный эквивалент на зиготу, у сааненских коз – 0,5; в разных линиях яичных кур – 0,84-2,92. 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 (к новой технологии производства) или соответствующих специфики селекционного процесса. Популяционная генетика позволяет определить генетическую долю изменчивости в общей изменчивости признаков; анализируя процессы происходящие в популяциях при различных формах отбора; оценивать влияние генотипа и условий внешней среды на развитие признаков и продуктивных свойств животных; моделировать селекционный процесс и прогнозировать эффект селекции. Полесский государственный университет 199 Генетика с основами биометрии 8. ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА 8.1 ЧЕЛОВЕК КАК ОБЪЕКТ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАН 1. Человек как объект генетических исследований. 2. Основы медицинской генетики. Классификация наследственных болезней человека. 3. Методы изучения генетики человека. 4. Геном человека. П ол ес ГУ 1. Человек как объект генетических исследований. Задачи медицинской генетики Основные закономерности наследственности, установленные для животных, универсальны, то есть они справедливы и для человека. Объектом исследований генетики человека являются закономерности наследования нормальных и патологических признаков, а также зависимость их проявления от генотипа и факторов внешней среды. Трудности изучения наследственности и изменчивости, ставшие причиной формирования частной генетики человека: невозможность применения гибридологического метода. Врач не имеет права влиять на формирование брачных союзов, но, если молодые люди уже вступили в брак, он может их обследовать и предупредить наследование патологических признаков у потомков или ослабить проявление мутантных генов; невозможность экспериментального получения мутаций; позднее половое созревание и редкая смена поколений: период деторождения у человека – 18-35 лет; малое количество потомков – в большинстве семей только 1-2 ребенка; невозможность обеспечения одинаковых и строго контролируемых условий для развития потомков от разных браков; недостаточная точность регистрации наследственных признаков и небольших родословных; сложный кариотип – 46 хромосом, 23 группы сцепления и около 30000 генов. Новые методы (дифференциальная окраска хромосом, клонирование генов и секвенирование генома человека, гибридизация соматических клеток), позволил устранить многие ограничивающие факторы, но до сих пор имеют место некоторые трудности работы с человеком как с генетическим объектом. Полесский государственный университет 200 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 2. Основы медицинской генетики. Классификация наследственных болезней человека Медицинская генетика – это система знаний о роли генетических факторов в патологии человека и система методов диагностики, лечения и профилактики наследственной патологии в широком смысле. Предмет и задачи медицинской генетики. Достижения в генетике человека обусловлены анализом законов природы и типом наследования мутационных изменений у человека. Основные положения медицинской генетики: 1. Наследственные болезни – это результат общей наследственной изменчивости человека. 2. Для популяций характерен огромный «груз» мутаций. 3. Факторы, обуславливающие развитие наследственной патологии, – генотип и внешняя среда. 4. Наследственность современного человека отягощена накоплением в процессе эволюции патологических мутаций и вновь возникшими наследственными изменениями в половых клетках. 5. Резко изменилась среда обитания человека. Изменения коснулись планирования семьи и границ браков. Человек сталкивается с новыми условиями среды, испытывает большие нагрузки, оказываемые на него социумом и экологией. Увеличились масштабы миграции населения, расширился круг потенциальных партнеров. 6. Достижения цитогенетики, биохимической генетики, клинической и молекулярной генетики, популяционной и экологической генетики открыли для медицинской генетики большие перспективы в диагностике, профилактике и лечении наследственных болезней. Медицинская генетика изучает: • патогенез, клинику, диагностику, фармакологическое и другие виды лечения (генная терапия) и профилактику наследственных болезней человека; • механизмы наследственной предрасположенности и врожденной резистентности к мультифакториальным патологиям; • генетические аспекты иммунитета, аллергии, трансплантологии, канцерогенеза, генной инженерии и так далее. Также к задачам медицинской генетики относятся ранняя диагностика наследственных заболеваний путем совершенствования экспресс-методов и пренатальной диагностики; широкое внедрение в медицинскую практику медико-генетического консультирования. Геном человека является объектом исследования цитогенетики, биохимической генетики, иммуногенетики, онкогенетики, клинической и популяционной и экологической генетики. К новым разделам медицинской генетики относятся нейрогенетика, Полесский государственный университет 201 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ офтальмогенетика и другие. Актуальность медицинской генетики чрезвычайно велика. Свидетельством этому служат следующие цифры: количество известных наследственных заболеваний – 5000; процент новорожденных с наследственными патологиями – 2,5; процент летальных исходов и инвалидности, причинами которых стали наследственные заболевания, – 40. Классификация болезней, обусловленных наследственностью. Наследственные болезни – это патологии, причинами которым служат изменения наследственного материала. Первые классификации наследственных болезней основывались на клинических особенностях определенных групп патологий. Так, выделяли наследственные болезни скелета, обмена, желудочно-кишечного тракта. Как оказалось, подобные классификации к ошибочным диагнозам. Несколько позже был предложен более содержательный подход к классификации наследственных болезней – генетический, при котором в качестве критериев выступают генетические различия, в том числе тип мутантных клеток (соматические или половые), различные типы наследования. В наше время используется несколько классификаций наследственных болезней. Одна из них была предложена в 1984 г. академиком Н.П. Бочковым. В качестве критерия классификации он использовал удельный вес наследственности и внешних факторов в возникновении, особенностях развития и исходах заболеваний: 1. Собственно наследственные болезни (моногенные и хромосомные): нарушения обмена (фенилкетонурия, мукополисахаридозы, галактоземия); нарушения синтеза структурных (болезнь Марфана, несовершенный остеогенез) и транспортных белков (гемоглобинопатии, болезнь Вильсона-Коновалова); хромосомные болезни (болезнь Дауна и другие). 2. Болезни, обусловленные мутацией, проявляющейся при воздействии на организм специфического для мутантного гена фактора внешней среды: печеночная порфирия; некоторые фармакогенетические реакции (длительная остановка дыхания при назначении суксаметония с вариантом псевдохолинестеразы) и экогенетические болезни (фавизм). 3. Болезни, которые в большой степени зависят от факторов среды: гипертоническая болезнь; онкологические и психические заболевания. 4. Болезни, являющиеся следствиями сугубо факторов внешней среды: травмы; ожоги; опасные инфекции и другие. В данном случае от генетических факторов зависят особенности клинического течения, эффективность терапии, осложнения. Не менее популярна классификация, основанная на различиях первичного патогенетического механизма возникновения наследственных Полесский государственный университет 202 Генетика с основами биометрии ГУ заболеваний. Согласно ей, выделяют следующие болезни: 1. Генные – заболевания, вызываемые генными мутациями (передаются из поколения в поколение и наследуются по законам Менделя). 2. Хромосомные – следствие хромосомных и геномных мутаций. 3. Болезни, обусловленные наследственной предрасположенностью (мультифакториальные болезни), возникающие из-за сочетания соответствующей генетической конституции и определенных факторов внешней среды. 4. Патологии, возникающие по причине мутаций, затрагивающих соматические клетки (генетические соматические болезни): некоторые опухоли, отдельные пороки развития, аутоиммунные заболевания. 5. Болезни генетической несовместимости матери и плода, которые возникают при иммунологической реакции организма матери на антиген плода. П ол ес 3. Методы изучения генетики человека Генеалогический метод предполагает построение родословных и прослеживание в ряду поколений передачи определенного признака. Метод позволяет установить: является ли признак наследственным (по проявлению его у членов родословной); тип наследования (доминантный или рецессивный, аутосомный или гоносомный); гомо- или гетерозиготность анализируемого пациента; частоту проявления гена; вероятность рождения ребенка с наследственной патологией. Генеалогический анализ – это поэтапный процесс. Сначала собираются данные у пробанда (лица, с которого начинается обследование семьи) обо всех родственниках обследуемого (анамнез). Затем строится, анализируется родословная. На последнем этапе делают выводы. При построении родословных руководствуются следующими условными обозначениями (по Юсту, 1932 г.): Полесский государственный университет 203 ГУ Генетика с основами биометрии П ол ес При помощи генеалогического метода устанавливают типы наследования признаков: 1. Аутосомно-доминантный. При таком типе наследования признак встречается в каждом поколении, болеют в равной степени люди обеих полов, признак наследуется по вертикали и горизонтали, вероятность наследования составляет 100% (если один из родителей гомозиготен), 75% (если оба родителя гетерозиготны) и 50% (если один родитель гетерозиготен, а второй – гомозиготен по рецессивному признаку). Признаки аутосомно-доминантного проявляются при полном доминировании и 100%-ной пенетрантности гена. 2. Аутосомно-рецессивный. Особенности наследования признака: встречается не в каждом поколении; больной (гомозиготный) ребенок рождается у здоровых (гетерозиготных) родителей; заболевают в равной степени мужчины и женщины; наследуется обычно по горизонтали; вероятность наследования 25% (при гетерозиготности родителей), 50% (если один родитель гетерозиготен, а второй гомозиготен по рецессивному признаку) и 100% (у рецессивных гомозиготных родителей). 3. Х-сцепленный рецессивный. В этом случае признак также встречается не в каждом поколении, болезни затрагивают, как правило, мужчины, больной ребенок рождается у здоровых родителей, признак наследуется чаще по горизонтали, вероятность наследования – у 25% всех детей, в том числе у 50% мальчиков (при гетерозиготной матери и здоровом отце). 4. Голандрический. При таком типе наследования признак может проявиться в любом поколении, болеют только мужчины, заболевают все сыновья больного отца, вероятность наследования у мальчиков 100%. Основной недостаток генеалогического метода – нехватка подробных родословных. Полесский государственный университет 204 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Близнецовый метод предложил в 1876 г. Ф. Гальтон. Такой подход к изучению генетики человека основан на установлении роли наследственности и среды в формировании признаков, исходя из сходства и различия моно- и дизиготных близнецов. Суть метода: составляется выборка близнецов с последующей диагностики их зиготности близнецов; определяется степень конкордантности выборок близнецов по изучаемому признаку; рассчитывается коэффициент наследования. Близнецы бывают моно- и дизиготными. Первые берут свое начало из одной яйцеклетки, которая была оплодотворена одним сперматозоидом вследствие явления полиэмбрионии. Генотипы таких близнецов одинаковы, но фенотипы могут розниться, причиной чему служат разные факторы внешней среды. Дизиготные близнецы развиваются после оплодотворения разными сперматозоидами нескольких одновременно созревших яйцеклеток. Генотипы и фенотипы близнецов разняться. При этом фенотипические различия обусловлены как генотипом, так и внешними факторами. У монозиготных близнецов обычно сходны признаки, зависящие от генотипа. Например, у них совпадает половая принадлежность, группы крови независимо системы, цвет глаз, дерматоглифические узоры на пальцах, ладонях и стопах, состав нуклеотидов в ДНК. Эти признаки служат критериями диагностики зиготности близнецов. Различие хотя бы по одному из этих критериев свидетельствует о дизиготности близнецов. Сходство близнецов по изучаемому признаку – это конкордантность, а различие – дискордантность. Роль наследственности и среды в развитии того или иного признака определяется по формуле Хольцингера: Н= (КМБ – КДБ) / (100% – КДБ) (1) где: Н – коэффициент наследования; КМБ – процент конкордантных монозиготных близнецов в изучаемой группе; КДБ – процент конкордантных дизиготных близнецов. Чем ближе результат к 1, тем сильнее наследственность влияет на степень проявления признака, и наоборот, чем ближе результат к 0, тем больше роль средовых факторов. Цитогенетический метод – это изучение кариотипа путем ее микроскопирования. Последовательность этапов: клетки культивируются (обычно лимфоциты) на искусственной питательной среде; фитогемагглютинином (ФГА) стимулируется митоз; посредством добавления колхицина на стадии метафазы останавливается митоз; клетки обрабатываются гипотоническим раствором; окрашиваются хромосы; микроскопируется и фотографируется кариотип; строится и анализируется Полесский государственный университет 205 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ идиограмма. В этот метод изучения кариотипа человека интегрированы специальные программы на ЭВМ, распределяющие хромосомы по группам, анализирующие их и выдающие заключение. Возможности метод: выявление геномных (например, синдрома Дауна) мутаций; выявление хромосомных (например, синдрома «кошачьего крика») мутаций. Форма записи кариотипа пациента: общее количество хромосом; набор гетерохромосом; номер хромосомы, короткого или длинного плеча; избыток (+) или нехватка (–) генетического материала. Наибольшей разрешающей способностью обладает метод флуоресцентной in situ-гибридизации (FISH), при котором специфический меченный флюорохромами зонд гибридизируется с комплементарным участком ДНК (если имеется) прямо на цитологическом препарате. Этот метод дает возможность выявлять генную активность ДНК и РНК и, соответственно, уточнять структуру, топографию и морфологию хромосом (локализацию гена) и ставить точный диагноз наследственной патологии. Разновидность FISH-анализа – SKY-анализ (spectral karyotyping) – спектральное кариотипирование (24-цветное флуоресцентное окрашивание хромосом), которое было разработано в 1996 г. для диагностики маркерных хромосом, межхромосомных и геномных мутаций. Методы генетики соматических клеток сделали возможным изучение многих вопросов генетики человека в эксперименте. Обычно культивируются клетки соединительной ткани (фибробласты) и лимфоциты крови. Искусственные питательные позволяют клонировать соматические клетки, а также получать потомство одной клетки. Идентичность генотипов всех потомков делает возможным изучение роли генотипа и среды в проявлении признаков на клеточном уровне. Также доступна селекция (отбор) клеток с заранее заданными свойствами на селективных питательных средах. В частной генетике человека чаще прибегают к гибридизации клеток – слиянию соматических клеток в культуре. Такое спонтанное слияние происходит довольно редко. Частоту гибридизации клеток можно повысить за счет введения в культуру клеток РНК-содержащего вируса парагриппа Сендай, инактивированного ультрафиолетом. В смешанной культуре разных типов клеток образуются гетерокарионы – клетки, в цитоплазме которых содержится по два ядра разных видов. Морфологические, биохимические свойства таких клеток являются промежуточными между исходными родительскими клетками. Полесский государственный университет 206 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ После митоза из двуядерного гетерокариона образуются две одноядерные клетки, каждая из которых представляет собой синкарион – настоящую гибридную клетку, содержащую хромосомы обеих родительских клеток. В данном случае можно говорить об объединѐнном генотипе. Гибридизация свойственна как клеткам одного, так и клеткам разных видов, например, человека и мыши. Второй вариант гибридизации используется при определении группы сцепления у человека, а также выяснении последовательности расположения генов (построении генетически карт хромосом человека). Биохимические методы – это изучение активности ферментных систем либо по активности самого фермента, либо по количеству конечных продуктов реакции, катализатором которой служит данный фермент. В генетике человека используют хроматографические, флюорометрические, радиоиммунологические и некоторые другие методы. Каждый из них служит для выявления генных мутаций, являющихся причинами болезней обмена веществ. Молекулярно-генетические методы позволяют анализировать фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены и их сегменты, устанавливать в них последовательность нуклеотидов и обнаруживать патологические гены в геноме. В эту группу методов изучения генетики человека входят: метод клонирования ДНК; метод гибридизации нуклеиновых кислот. Метод клонирования ДНК служит для изолирования отдельных генов или их фрагментов, имеющих точки узнавания. Для этих целей используются ферменты рестриктазы. При методе гибридизации нуклеиновых кислот преследуются следующие задачи: установление порядка нуклеотидов в молекуле ДНК; обнаружение единственного гена среди десятков тысяч. В медицинской генетике нашли практическое применение методы моделирования, основанные на использовании биологических объектов или математических подходов. Биологическое моделирование проводится на мутантных линиях животных с патологиями, которые имеются и у человека. Пример: и у мышей, и у человека встречается несращение губы и неба. Мутантные линии животных не дают точной картины наследственных болезней человека. В то же время даже их частичное воспроизведение в ряде случаев позволяет выявить механизмы первичного отклонения от нормы и разработать соответствующие методы диагностики, профилактики и лечения. Теоретической основой для биологического моделирования служит закон гомологичных рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова: генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами Полесский государственный университет 207 Генетика с основами биометрии ес ГУ наследственной изменчивости. Сегодня этот метод чаще используют для изучения мутагенного и тератогенного действия новых лекарств до их клинического испытания. Математическое моделирование – это метод, используемый при создании и изучении математических моделей популяций живых организмов. Также при помощи этого метода рассчитываются частоты генотипов, изучаются их динамика по причине изменений внешних воздействий окружающей среды (последствия аварии на ЧАЭС). Математические методы применимы в тех случаях, когда другие подходы неэффективны. Популяционно-статистический метод основан на использовании закона Харди-Вайнберга. К нему прибегают, когда есть необходимость в изучении частоты генов и генотипов в популяциях людей. Зная распространение генов среди населения различных географических зон (геногеография) можно установить центры происхождения различных этнических групп и их миграцию. Метод может использоваться и с диагностическими целями, так как позволяет определить степень риска появления наследственных патологий у отдельных индивидуумов, проживающих в определенных странах (регионах). П ол 4. Геном человека К реализации программы «Геном человека» приступили в конце 80-гг. XX ст. Ее инициаторы планировали определить полную последовательность всех 3 млрд. нуклеотидных звеньев генома человека к 2005 г. В США изучением генома занималось два коллектива: сотрудники Национального института исследования генома человека (глава – Френсис Коллинз) и сотрудники частной фирмы Celera Genomics Институт геномных исследований (глава – Крэйг Вентер). Результаты расшифровки и анализа генома человека были независимо опубликованы двумя организациями в феврале 2001 г. с разбежкой в один день. Геном человека был полностью секвенирован в 2003 г. на сегодняшний день секвенировано 90% генома в черновом виде, 30% – в окончательном. В компании Celera Genomics для секвенирования было отобрано по одной биопробе от афроамериканца, китайца, испано-мексиканца и две от европейцев. Этот генетический материал позволил рассчитать консенсусную последовательность генома человека длиной 2,91 млрд. п. н. В процессе секвенирования генома преследовалось три цели: 1. Создание точной генетической карты. 2. Создание физической карты. 3. Секвенирование всего генома человека. Основные показатели «чернового» варианта генома сведены в таблице 1. Полесский государственный университет 208 Генетика с основами биометрии Таблица 1 – Основные характеристики первого («чернового») варианта человека 1,5-1,7 м 3,3 × 109 90% П ол ес ГУ Предварительные оценки Общая длина молекулы ДНК Число нуклеотидов Общая характеристика Просеквенировано (установлена первичная последовательность нуклеотидов) Допустимая частота ошибок Частота ошибок секвенирования хромосом 21 и 22 Несеквенировано Общая структура ДНК генома Повторяющиеся последовательности Транскрибируемая часть составляет: Всего транскрибируется в РНК транслируется до белков (экзонная часть генома) Кодирует синтез всех белков организма «Паразитическая» ДНК (LTR, SINE, LINE, Transposones) Короткие повторы (микросателлитная ДНК) Длинные геномные повторы Генетический полиморфизм Идентичность геномов разных индивидуумов Межиндивидуальная вариабельность Общее число однонуклеотидньгх замен (SNP) Число «значимых» (внутригенных) SNP Число генов Хромосома 21 Хромосома 22 Всего определено Human Genome Project Celera Genomics Всего идентифицировано Human Genome Project Celera Genomics Картировано на хромосомах 1 × 104 1 × 106 10% 45-50% 28-30% 23-25% 5% 1,2% 45% 3% 5% 99,9% 0,1% 3,2 x 106 1,5 × 106 225 525 31780 38114 22000 26000 14065 Нерасшифрованные участки: Полесский государственный университет 209 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ саттелитная ДНК теломерных и околоцентромерных районов хромосом; сильно спирализированные области интеркалярного (внутрихромосомного) гетерохроматина, способные ярко окрашиваться красителем Гимза и флуорохромами; небольшие интерстициальные фрагменты гэпы (gaps). Полесский государственный университет 210 Генетика с основами биометрии 8.2 ГЕНОТЕРАПИЯ ПЛАН 1. Основные принципы и методология генотерапии. 2. Достижения, перспективы и проблемы генной терапии. П ол ес ГУ 1. Основные принципы и методология генотерапии В широком смысле слова генная терапия – это лечение, основанное на введении в ткани или в клетки пациента смысловых последовательностей ДНК. Первые представления о практических аспектах и возможностях использования генной терапии были несколько ошибочными. Например, думали, что посредством генотерапии будут исправляться дефекты в генах. В качестве основного объекта для такого лечения рассматривали моногенные наследственные заболевания человека. Не исключали возможность коррекции генного дефекта в соматических и зародышевых клетках. На самом деле оказалось: значительно проще вводить в организм пациента полноценно работающий ген (как правило – это его кДНК); в норме экспрессия дефектного гена происходит именно в соматических тканях. Генная терапия на уровне половых и зародышевых клетках сопряжена с большим риском серьезных последствий для генофонда человечества; генная терапия – это эффективный способ борьбы как с моногенными наследственными заболеваниями, так и с широко распространенными болезнями (злокачественными опухолями, многими вирусными инфекциями, патологиями сердечно-сосудистой системы и другими). В современном понимании генная терапия – это лечение наследственных, онкологических, некоторых инфекционных (вирусных) и других заболеваний путем введения генов в клетки пациентов с целью направленного изменения генных дефектов либо придания клеткам новых функций. Первые клинические испытания методов генной терапии: май 1989 г. – маркирование опухоли-инфильтрующих лимфоцитов в случае прогрессирующей меланомы; сентябрь 1990 г. – в Бетезде (США) 4-летней девочке, страдающей наследственным иммунодефицитом (частота встречаемости – 1:100000), обусловленным мутацией в гене аденозиндезаминазы, пересажены ее собственные лимфоциты, предварительно трансформированные ex vivo геном АDА (ген АDА + ген nео + ретровирусный вектор). В течение трех лет терапии в общей сложности проведено 23 внутривенных трансфузии АDАПолесский государственный университет 211 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ трансформированных Т-лимфоцитов без видимых неблагоприятных эффектов. Результат нового подхода к борьбе с этим редким заболеванием – улучшение состояния пациентки, возвращение ее к нормальному образу жизни. Результативное использование генной терапии в медицине во многом стало возможным благодаря успехам молекулярной биологии, инструменты которой позволили: картировать гены, мутации которых приводят к наследственным заболеваниям; выяснять молекулярную природу этих мутаций; секвенировать и клонировать гены; создавать генно-инженерные конструкции с последующей их доставкой в клетку. Следует также отметить, что качественному скачку в области генной терапии поспособствовало доказательство ее безопасности, установленной по результатам первых исследований. В то же время до сих пор недостаточно изучены последствия манипулирования генами или рДНК іn vivо. Введение в организм человека последовательностей ДНК, которые не находятся под контролем свойственных им регуляторных элементов – это вероятная причина непредсказуемых изменений метаболических процессов на фоне функционального дисбаланса. Есть мнение, что современные представления о структуре генома и его взаимодействиях с экзогенными ДНК и вирусными последовательностями (векторами, используемыми в генной инженерии) пока недостаточны для прогнозирования возможных нежелательных или неконтролируемых последствий. Поэтому до использования программ генной терапии следует удостовериться в их безопасности для самого пациента и для популяции в целом. Как минимум ожидаемый лечебный эффект или возможность получения дополнительной полезной информации должны преобладать над потенциальным риском предлагаемой процедуры. Обязательные разделы программ генной терапии для клинических испытаний: определение типа клеток, которые подлежат генетической модификации; обоснование выбора нозологии для проведения курса генной терапии; схема конструирования экзогенной ДНК; обоснование биологической безопасности вводимой генной конструкции, включающее опыты на культурах клеток и на модельных (трансгенных) животных; способ переноса генной конструкции в клетки пациента; методы анализа экспрессии введенных генов; Полесский государственный университет 212 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ оценка клинического (терапевтического) эффекта; возможные побочные последствия и их профилактика. Особое внимание в программе генной терапии уделяется анализу последствий проводимых процедур. Этот контроль проводится на каждом этапе терапии, причем исследования выполняются на различных уровнях. После переноса гена отыскиваются модифицированные клетки, и изучается их динамика в определенных тканях. С целью облегчения такого поиска в генетические конструкции включаются гены-маркеры. В последнее время последовательности экзогенной ДНК в модифицированных клетках обычно идентифицируются посредством ПЦР. На следующем этапе анализируется экспрессия введенных генов путем идентификации и количественной оценки соответствующего РНК-транскрипта либо белкового продукта гена. При возможности анализируется коррекция первичного биохимического дефекта. Проводится сопоставление полученных данных с результатами комплексного медицинского обследования, исправляется и дополняется схема лечения. Типы генотерапевтических вмешательств. Выбор клеток-мишеней. Клетки, в которые вводятся последовательности ДНК, называются клеткамимишенями. Генная терапия позволяет: корректировать наследственные патологии – последствия генетических дефектов; придавать клеткам новые функции, способствующие исключению патологий. В первом случае в организм вводится нормально работающий гомолог дефектного гена. В основе второго подхода лежит использование генов, обладающих условным цитотоксическим эффектом или способствующих формированию выраженного иммунного ответа (применяют при лечении опухолей или инфекций). Мишенями для таких генов служат пораженные ткани, иммунные клетки, специфическим образом проникающие в эти ткани, либо предварительно трансформированные іn vitro другие клетки. Таким образом, в зависимости от характера заболевания и предполагаемого генотерапевтического подхода объектом генетической трансфекции могут служить самые разные соматические клетки, как несущие дефектный ген, так и нормальные клетки, приобретающие терапевтические свойства после трансфекции. Генная терапия проводится или в культуре клеток (еx vivo), или в организме (іn vivo), что определяется способом введения экзогенных ДНК в геном. В первом случае выделяются и культивируются специфические типы клеток пациента. После в них вводятся чужеродные гены, отбираются Полесский государственный университет 213 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ трансфецированные клетки, которые вводятся тому же пациенту. Сегодня большинство программ генной терапии основано именно на этом подходе. Факторы, ограничивающие реализацию таких программ: возможны лишь в крупных специализированных центрах, большие материальные затраты и необходимость в высоких биотехнологиях. Во втором случае осуществляется прямое введение клонированных и определенным образом упакованных последовательностей ДНК в специфические ткани больного. Вводимые ДНК обычно интегрируются с молекулами, обеспечивающими их адресную доставку в клетки-мишени. Этот подход на перспективу найдет широкое применение в массовом лечении распространенных заболеваний. Пока он используется в борьбе с муковисцидозом. Этапы генной терапии (рисунок 1): 1. Получение клеток от больного. Использование собственных клеток пациента (аутологичных клеток) исключает вероятность развития иммунного ответа после инфузии или трансплантации (1). 2 1 3 4 Рисунок 1 – Схема этапов генной терапии 2. Культивирование клеток (2) в питательной среде. 3. Перенос терапевтическог гена (3). 4. Отбор и наращивание генетически исправленных клеток. 5. Введение клеток реципиенту (4). Методы генетической трансфекции в генной терапии. Трансфекция – это искусственное введение в клетки эукариот изолированных молекул ДНК. Условия, обеспечивающие успех генотерапии: эффективная доставка чужеродного гена в клетки-мишени; Полесский государственный университет 214 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ длительная персистенция гена в клетках-мишенях; экспрессия – полноценная работа введенного гена. При трансфекции используются: чистые («голая» - naked) ДНК, лигированные в плазмиду; комплексированные ДНК – плазмидные ДНК, комплектованные с солями, белками (трансферрином), органическими полимерами (декстраном, полилизином), липосомами или частицами золота; ДНК, входящие в состав вирусных частиц, предварительно лишенные способности к репликации. Чтобы персистенция была длительной, чужеродная ДНК в клеткахреципиентах должна встроиться в геном – в ДНК клетки-хозяина. Экзогенная ДНК элиминируется, если она в ядре находится в свободном состоянии. Экспрессия чужеродной ДНК возможно лишь при наличии соответствующих промоторов. Чужеродные гены доставляются в клетки посредством химических, физических и биологических методов. Эффективность введения чужеродных генов in vitro обеспечивают такие физические способы как электропорация, бомбардировка частицами золота, а также практически все виды биологической доставки. В то же время реальная интеграция в геном клетки-реципиента достигается, если используются ретровирусные или аденоассоциированные вектора, так как они имеют свойства, необходимые для встраивания в эукариотическую ДНК. Лишь вирусные векторы или генетические конструкции с вирусными последовательностями способны к активной трансфекции, а в ряде случаев – и к длительной экспрессии чужеродных генов. 2. Достижения, перспективы и проблемы генной терапии Как и ранее, концепция генной терапии вызывает многочисленные споры. Ее сторонники уверены, что это лечение вытеснит традиционные подходы к борьбе с заболеваниями. Противники акцентируют внимание на недостаточной изученности последствий изменения генома. Успехи, достигнутые в генной терапии: нормализация работы онкогенов и супрессоров опухолей; обучение иммунной системы распознавать антигены раковых клеток. Этот принцип стал основой для создания противоопухолевых вакцин; получены первые положительные результаты применения нового способа лечения некоторых нейродегенеративных заболеваний (болезни Паркинсона, хорея Гентингтона), в основе которого лежит введение в определенные подкорковые отделы мозга культуры клеток, синтезирующих набор белков, препятствующих дегенерации нервных клеток; разработаны генотерапевтические подходы к лечению ВИЧинфекции. Полесский государственный университет 215 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ В генной терапии не только совершенствуются существующие, но и разрабатываются новые методы введения чужеродных ДНК в клеткиреципиенты. Например, для борьбы с генными болезнями іn vivo предложены аэрозольные и инъецируемые вакцины. Аэрозольная генотерапия на перспективу будет использоваться в массовом лечении пульмонологических заболеваний: муковисцидоза, эмфиземы, рака легких. В этом случае осуществляется генетическая модификация специфических типов клеток легких. Инъецируемые вакцины позволят работать с разными типами клеток, то есть они станут распространенным и универсальным способом доставки чужеродных ДНК в любые ткани. Не исключено, что в скором будущем станет доступной генетическая модификация предшественников дифференцированных клеток – стволовых клеток. В качестве такой перспективы выступает трансформация тотипотентных эмбриональных стволовых клеток, которые при определенных условиях могут стать любыми соматическими клетками. Многими генно-инженерными лабораториями, центрами, фармацевтическими фирмами потрачено немало сил на поиск и создание векторов. В то же время до сих пор нет векторов, обеспечивающих 100процентную трансфекцию (как ex vivo, так и іn vivo) на фоне высокой пакующей способности, при которой включаются генетические конструкции размером от 1 до 1000 тыс. п.о. Пока остается недоступной регулируемая экспрессия. Остается открытый вопрос, касающийся уровня безопасности онкогенных модификаций и других нежелательных побочных эффектов. Коррекция генетических дефектов в зародышевых клетках – вероятная причина засорения генофонда нежелательными искусственными генными конструкциями. Факторы, препятствующие широкому использованию возможностей генотерапии: 1. Недоступность широким массам в силу дороговизны терапевтических мероприятий. 2. Этические проблемы, например, при работе с зародышевыми клетками ущемляется право будущих поколений на наследование немодифицированного генома. 3. Трудоемкость разработки и внедрения генотерапевтических подходов и другие. Полесский государственный университет 216 Генетика с основами биометрии 9. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ 9.1 ГЕНЕТИКА КАК ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ОСНОВА СЕЛЕКЦИИ ПЛАН ГУ 1. Селекция как наука. 2. Исходный материал в селекции. 3. Системы скрещиваний в селекции. 4. Гетерозис. 5. Методы отбора. 6. Подбор. П ол ес 1. Селекция как наука Селекция – это наука, которая изучает биологические основы и разрабатывает методы создания и улучшения пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Селекция разрабатывает конкретные приемы и рекомендации для частной селекции отдельных видов. В свое время так говорил Н.В. Вавилов. История, предмет и методы селекции. Селекция существует издавна. Изначально животных и растений начали разводить 8000-9000 лет назад на Ближнем Востоке, в Европе и Азии сельское хозяйство зародилось несколько позже. Уже тогда с целью выведения пород животных и сортов растений с хозяйственно-ценными качествами стали прибегать к искусственному отбору. Первые селекционные мероприятия имели место почти 6000 лет назад в Эламе (Двуречье). Свидетельством этому служит изображение родословной лошадей, обнаруженной на печатке. Ряд историков считает, что, что арабы начали искусственно опылять финиковые пальмы задолго до новой эры. Селекционные приемы разведения животных использовались в Римской империи, в Древнем Китае и Древнем Риме были разработаны рекомендации по отбору колосьев у злаков. На первых порах селекция основывалась сугубо на отборе, который проводился бессознательно и длился не менее 10 лет. Теоретическая база в те далекие времена отсутствовала, селекционеры полагались на свой опыт и интуицию. Совершенствование животных, растений строилось на учете свойств родительских форм, целенаправленная селекция как таковая не проводилась. В то же время нельзя не отметить, что до сих пор используются результаты работ селекционеров древнего мира: лучшие сорта хлопчатника, возделываемые ныне, позаимствованы у крестьян старых мексиканских деревень; сорта льна-долгунца, выведенные в некоторых районах Пскова; Полесский государственный университет 217 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ сорта озимой и яровой пшеницы с ценными хозяйственными качествами, выведенные в давние времена. Большое внимание в народной селекции уделялось и животноводству. До нас дошли ярославская и холмогорская порода крупного рогатого скота, воронежские битюги и мезенская лошадь, орловские рысаки, романовские и мериносовые овцы. Отбор по хозяйственно-полезным признакам и свойствам без учета механизмов их наследуемости и изменчивости часто дает нежелательные результаты. Например, следствием отбора тонкорунных овец сугубо по комолости является крипторхизма. Другой пример: отбор овец романовской породы свободных от пегости на шее отрицательно сказывается на их жизнеспособности. С конца XVIII ст. в селекции начали применять научно-обоснованные приемы, учитывать тип наследования признаков (доминантный или рецессивный), тип доминирования, характер наследования (аутосомное или сцепленное с полом, независимое или сцепленное), тип и характер взаимодействия генов в онтогенезе, изучать генетику продуктивности животных и урожайности растений. Уже в первой половине XX ст. стало очевидным, что селекция будет эффективна лишь при внедрении в нее теоретических знаний и практических подходов, используемых в генетике. Селекция, получив прочную теоретическую базу, получила статус самостоятельной науки. Если ранее селекция основывалась только на отборе, то сегодня она предполагает целенаправленное создание и совершенствование пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. Современная селекция – это поэтапная система: 1. Изучение исходного материала. 2. Разработка методов гибридизации с использованием современных генетических методов. 3. Разработка методов отбора. В странах с развитым животноводством, растениеводством, в том числе в Республике Беларусь селекционные программы стали дополнятся последними достижениями молекулярной генетики, генной инженерии. Например, в животноводстве нашла широкое практическое применение маркер-зависимая селекция, в основе которой лежит отбор родительских форм с лучшими аллельными вариантами генов, детерминирующих показатели продуктивности и устойчивость к заболеваниям. В селекцию растений интегрированы ГМ-культуры, характеризующиеся высокой урожайностью, устойчивостью к различным стресс-факторам, насекомым-вредителям, пестицидам, гербицидам. Полесский государственный университет 218 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 2. Исходный материал в селекции Исходный материал в селекции – это все многообразие диких и культурных форм данного вида животных или растений, по которому ведется селекция. Нередко селекционеры в качестве исходного материала используют устойчивые к агрессивным природно-климатическим факторам, к заболеваниям; плодовитые, жизнеспособные дикие формы того или иного вида. Немало ныне известных домашних животных и культурных растений, родоначальниками которых являются дикие формы. Последние в чистоте не представляют интерес для сельского хозяйства, так как на фоне своей устойчивости к метным заболеваниям, климату имеют низкую продуктивность. Дикие формы скрещиваются с животными различной породной принадлежности для получения гибридного потомства, из которого для дальнейшего размножения отбираются лучшие особи. Ученые, изучавшие географию генотипов животных и центров происхождения культурных растений: 1. Н.И. Вавилов – по результатам многочисленных экспедиций установил некоторые закономерности расселения культурных растений. Например, ученый обнаружил, что дикая рожь у себя на родине, в Гератском районе – это сорняк, засоряющий посевы пшеницы. В то же время на территории Северной Европы, где невозможно получение высоких урожаев пшеницы, это растение является основной хлебной злаковой культурой. Вавиловым также было установлено, что родиной кукурузы является Мексика и Центральная Америка, картофеля – Южная Америка. Мягкая пшеница различной сортовой принадлежности была найдена им в Афганистане, а твердые сорта этой зерновой культуры – в Эфиопии. Н.И. Вавилов выделил и описал центры происхождения культурных растений: • индийский (южноазиатский тропический): рис, сахарный тростник, цитрусовые; • среднеазиатский: мягкая пшеница, бобовые и другие культуры; • китайский (или восточноазиатский): просо, гречиха, соя и хлебные злаки; • переднеазиатский: пшеница, рожь, плодовые культуры; • средиземноморский: маслины, клевер, чечевица, капуста, кормовые культуры; • абиссинский: сорго, пшеница, ячмень; • южномексиканский: хлопок, кукуруза, какао, тыквенные, фасоль; • южноамериканский: картофель, растения с лечебными свойствами (кокаиновый куст, хинное дерево). Зная условия, в которых произрастает то или иное растение у себя на родине, можно установить и исключить неэффективные направления в Полесский государственный университет 219 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ селекции. 2. А.С. Серебровский – изучал генотипы сельскохозяйственных животных с учетом места разведения. Так, ученый установил, что в северной части Европы практически весь крупный рогатый скот черный, а в южной – рыжий. На севере в сравнении с югом не встречается горбатый скот, носитель гена горбатости зебу, отсутствуют и курдючные овцы. Это позволяет сделать вывод, что различные природно-климатические зоны рознятся как по качественному составу составу генофонда, так и по концентрации определенных генов в популяции. Благодаря достижениям молекулярной генетики созданы банки генов животных, в том числе видов, находящихся на грани исчезновения. В качестве исходного материала в селекции используются мутации, в том числе спонтанные и индуцированные. Первые в естественных условиях возникают редко, что вызвало необходимость в поиске более перспективных для селекции мутаций. Таковыми стали индуцированные мутации. Мутагены, нашедшие практическое применение в селекции животных и растений: ионизирующие излучения; химические вещества. Первые положительные результаты применения индуцированной ионизирующей радиации получены в первой половине XX ст. Например, были получены первые радиомутанты пшеницы. Облучению поддаются семена, почки, пыльца. При этом облучение генеративных клеток дает мутации, закрепляющиеся половым путем, а облучение семян и почек ведет к химеризации растений – формированию соматических мутаций, размножающихся вегетативным путем. Получены сорта культур, материалом которым послужили индуцированные рентгеномутации. Такой мутагенез не лишен недостатков. Один из них – радиация совместно с мутациями может вызывать грубые хромосомные поломки, приводящие к гибели растения. В 30-х гг. XX ст. были проведены исследования, целью которых было установление особенностей влияния рентгеновских лучей на изолированную сперму кроликов и овец. В первом случае сперма или гибла, или теряла оплодотворяющую способность, во втором – рентгеновские лучи вели к значительному увеличению процента доминантных деталей. Эти результаты свидетельствуют о нерациональности использования индуцированной рентгеномутации в животноводстве. Индуцированный мутагенез дал положительные результаты в селекции насекомых. Например, облучение сделало возможным перенос аутосомного гена белой окраски у тутового шелкопряда на У-хромосому. Этот признак после мутагенеза наследуется сугубо женскими линиями, что облегчает отбор самцов, в коконе которых на 20-30% больше шелка. Полесский государственный университет 220 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ В промышленной микробиологии при помощи рентгеновских лучей получают высопродуктивные штаммы-продуценты антибиотиков. Химические мутагены (нитрозометил- и нитрозоэтилмочевины, диазоацетилбутан и другие) применимы как в растениеводстве, так и в животноводстве. Они отличаются от ионизирующих излучений тем, что дают более низкий процент грубых хромосомных повреждений. Химические мутагены – это инструмент, при помощи которого селекционеры создали сорта злаковых культур, в том числе овса ярового, подсолнечника, хлопчатника, белого и желтого люпина, конопли, риса, земляники. Результатом ионизирующих излучений и химических мутагенов могут быть как ценные в хозяйственном плане, так и вредные мутации. При этом прогнозировать характер изменений генотипа достаточно сложно. По этой причине после индуцированного мутагенеза работа селекционеров ограничивается искусственным отбором форм с ценными признаками с закреплением их в различных сочетаниях в потомстве путем гибридизации. Индуцированные мутации также классифицируют на моногенные и полигенные. Первые сказываются на качественных признаках, четко проявляющихся в фенотипе, наследующихся согласно законам Г. Менделя и легко поддающихся анализу. Мутации второго вида затрагивают количественные признаки, которые в сравнении с качественными сложнее учитывать. Иногда полигенные мутации обладают плейотропным действием. Например, мутация, являющаяся причиной белой окраски у серебристочерных лисиц, негативно сказывается на жизнеспособности, при этом мутантные особи при удлиненном световом дне обычно рождаются нормальными, но живут они максимум месяц. Иногда имеет место неполное доминирование (курчавые или коротконогие куры), когда переход гена в гомозиготное состояние сопровождается летальным исходом, поэтому особи с таким признаком всегда гетерозиготны. В этом случае говорить об успешном выведении чистой линии не приходится. Иногда одни лишь мутации не дают желательного эффекта. Поэтому в селекционной работе часто проводится гибридизация мутантов, целью которой является комбинативная изменчивость – очередной источник исходного материала. В качестве примера можно рассматривать многочисленные комбинации различных пар генов, определяющих ту или иную окраску у норок: ААВВККffРР – коричневая масть; ААВВККffрр – платиновая; ААВВККFfPP – серебристо-соболиная; ааввККffрр – голубая зимняя. Полесский государственный университет 221 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 3. Системы скрещиваний в селекции Методы разведения – это определенная система спаривания животных, предполагающая учет их видовой, линейной, породной принадлежности. Методы разведения: чистопородное (чистое); скрещивание; гибридизация. Чистопородное разведение. Целью такого разведения является совершенствование породы в чистоте, поэтому его часто называют чистым разведением. Прибегая к чистопородному разведению, селекционер стремится сохранить ценные племенные и продуктивные качества, достигнутые в той или иной породе. Примеры положительных результатов чистопородного разведения: изменение типа телосложения крупного рогатого скота голландской породы при сохранении высокой продуктивности и на фоне повышения жирномолочности коров на 0,5-0,6% (это результат 70-летней селекционной работы); совершенствование беконных качеств свиней крупной белой породы; повышение шерстной и мясной продуктивности асканийских овец; жирность молока коров джерсейской породы, достигающая 6% и более. Чистопородное разведение допускает как гомогенный, так и гетерогенный подбор. При помощи первого внутри породы создаются специализированные производственные типы. Разведение по линиям. Такой подход к разведению основан на сочетании гомогенного и гетерогенного подбора с периодическим использовании кроссирования. Цель этого метода разведения – закладка новой линии или освежение крови имеющейся. Скрещивание – спаривание животных, принадлежащих к одному виду, но относящихся к разным породам. В нем могут участвовать родительские формы двух, трех и более пород. Потомки, получаемые в результате скрещивания, называются помесями. Виды скрещивания: поглотительное; вводное; воспроизводительное; промышленное; переменное. Целью поглотительного скрещивания является «поглощение» местных (аборигенных) пород высокопродуктивной породой-улучшательнецей. При этом стремятся сохранить ценные признаки улучшаемой породы, например, Полесский государственный университет 222 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ устойчивость к местным заболеваниям. В основе такого скрещивания лежит последовательное спаривание самок, подлежащих улучшению, с производителями улучшающей породы и получение потомков, сходных по своим качествам с представителями улучшающей породы. Обычно поглотительное скрещивание длятся до 5-6 поколения, после чего неродственные гибриды разводятся «в себе». Вводное скрещивание (прилитие крови). Цель – улучшение отдельных качеств животных, например, повышение содержания жира или белка в молоке коров. При таком виде скрещивания матки разводимой породы покрываются производителями улучшающей породы. Получаемые помеси женского пола последующих двух-трех поколений спариваются с производителями улучшаемой породы. Помеси соответствующие желательному типу, разводятся «в себе». Воспроизводительное (заводское) скрещивание – это инструмент, используемый для выведения новых пород. Виды: простое – родительские формы принадлежат двум породам; сложное – родительские формы принадлежат к трем и более породам. Результат воспроизводительного скрещивания – сочетание у животных вновь создаваемой породы ценных качеств особей двух или нескольких пород. Например, при выведении степной украинской породы свиней использовались местные свиньи и хряки крупной белой породы. М.Ф. Иванов (автор породы) стремился вывести породу свиней, в которой бы сочетались устойчивость к сухому степному климату и показатели продуктивности, характерные для животных крупной белой породы. Один из удачных результатов сложного воспроизводительного скрещивания – орловская рысистая порода лошадей, в которой сочетается кровь животных трех пород: арабской, датской и голландской. Промышленное скрещивание. Цель – получение двух-, трехпородных пользовательных помесей, используемых для производства мяса, яиц и другой продукции животноводства. В ряде случаев по тем или иным показателям продуктивности помеси превосходят своих родителей. В этом случае можно говорить о гетерозисе, который наиболее выражен у потомства, полученного от скрещивания особей специально подобранных линий в птицеводстве. В свиноводстве в промышленные скрещивания чаще участвуют три породы. Сначала спариваются животные двух пород, характеризующихся хорошей плодовитостью и молочностью. После поместных маток покрывают хряками пород, отличающихся хорошими мясными качествами и скороспелостью. Переменное скрещивание. Это один из вариантов промышленного скрещивания, цель которого заключается в получении пользовательных Полесский государственный университет 223 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ животных желательного типа и направления продуктивности. В этом случае последовательно скрещиваются животные разных пород по определенному плану для поддержания в помесях желательных признаков исходных пород. Например, при двухпородном переменном скрещивании помесных маток первого поколения спаривают с производителями одной из исходных пород, затем помесей второго поколения – с производителями другой породы и так далее. Породность животных в стаде по исходным породам во втором и последующем поколениях будет колебаться от 1/4 до 3/4 кровности. Гибридизация. При таком методе разведения спариваются животные, принадлежащие к разным, но близким видам. Получаемые потомки называются гибридами, которые сочетают ценные качества родительских форм. Как показала практика, скрещивание представителей отдаленных видов обычно не дает положительных результатов. Иногда, получаемые гибриды, бесплодны, например, мул – результат покрытия кобылы ослом. Если ослица покрывается жеребцом, получается гибрид, называемый лошаком. В ряде случаев бесплодие проявляется у гибридов мужского пола, что характерно для схемы подбора, в которой участвует самка яка и быкпроизводитель. Примеры удачных гибридов: скотоводство – порода санта-гертруда (зебу × крупный рогатый скот); овцеводство – порода архаро-меринос, отличающаяся хорошими шерстными качествами и крепкой конституцией (тонкорунные овцы × горный баран архар). 4. Гетерозис Гетерозис – это превосходство гибрида над обеими родительскими формами по биологическим и хозяйственно-полезным признакам. Гетерозис проявляется у потомства I поколения, затем он затухает и исчезает в последующих поколениях. На практике его поддерживают при помощи различных форм скрещивания, при которых учитываются новые комплексы генотипов. В основе гетерозиса лежат: наследование количественного характера различных признаков; важнейшие генетические и биологические процессы, происходящие в организме (взаимодействия генов и цитоплазмы, генов и среды…); более интенсивное протекание нуклеинового обмена; активность тканевых ферментов и повышение уровня окислительно-восстановительных процессов в организме; Полесский государственный университет 224 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ улучшение функционирования пищеварительной системы и органов размножения, что в конечном итоге повышает уровень хозяйственно полезных признаков животных. Первым это явление в 1760 г. описал И. Кельрейтер, получивший межвидовой гибрид по результатам скрещивания двух махорок разных видовых принадлежностей. Термин «гетерозис» в 1914 г. был предложен американским исследователем Дж. Шеллом. Он обозначил им мощность гибридов (эффект скрещивания). В свое время гетерозис назывался «гибридной силой». Гетерозис характерен животных, птиц, растений, микроорганизмов. Поэтому гетерозис правомерно назвать общебиологическим явлением. Гипотезы, объясняющие причины возникновения гетерозиса. Первые попытки объяснения гетерозиса были предприняты Чарльзом Дарвином, который отметил, что следствием родственного спаривания (инбридинга) является инбредная депрессия, заключающаяся в низкой жизнеспособности потомства, а скрещивания – гетерозис, при котором потомство отличается повышенной жизнеспособностью потомства. Дарвин предположил, что инбредная депрессия и гетерозис являются следствием одного фактора – степени различия половых элементов, объединяющихся в процессе оплодотворения. Чем больше отличаются биологические особенности родительских форм и, соответственно, их половых клеток, тем очевиднее эффект гетерозиса у потомства. Вероятность инбредной депрессии растет по мере уменьшения таких различий. Ч. Дарвин заключил, скрещивание способствует эволюции вида, а родственное спаривание, наоборот, – сдерживает ее. Гипотеза доминантных генов. Эффект гетерозиса согласно этой теории, объясняется тем, что при скрещивании различающихся генотипов (например, АаbbСС х ааВВсс), рецессивные аллели (а, b, с) с неблагоприятным действием у гибридов I поколения переходят в гетерозиготное состояние (Аа, Вb, Сс) и теряют свое отрицательное действие. Доминантные аллели (А, В, С) с благоприятным действием, объединяясь дают положительный эффект в F1. Другими словами, у гетерозиготных особей совокупность доминантных генов подавляет таковую рецессивных генов. При скрещивании сильно отличающихся пород или линий увеличивается доля доминантных генов от обоих родителей, которые усиливают развитие признака, что и служит причиной гетерозиса. Эту гипотезу выражает следующая формула: АА = Аа > аа. В то же время данная теория гетерозиса не объясняет, почему эффект гетерозиса бывает только в I поколении. Если бы эффект гетерозиса зависел лишь от доминантных генов, его можно было бы закрепить за счет создания гомозиготных генотипов по доминантным генам, но эта пока лишь предположение, которое до сих пор не доказано на практике. Полесский государственный университет 225 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Гипотеза сверхдоминирования. В основе этой теории лежит следующее предположение – гетерозигота, содержащая оба аллеля одной пары генов (например, Аа), взаимно дополняющих друг друга и действующих совместно (эффект дозы), превышает эффект доминантных и рецессивных генотипов (АА и аа). Для этой гипотезы применимо следующее выражение: Аа > АА > аа. Однако взаимодействие генов может происходить не только между отдельными аллелями одной пары генов, но и между целыми системами генов, что обеспечивает разнообразие и усиление физиологических функций организма. При скрещивании неродственных родительских форм у гибридов F1 обогащение эффектов доз и вызывает гетерозис. Гипотеза облигатной гетерозиготности. Автор – Д.А. Кисловский. Эта гипотеза по своему содержанию схожа с теорией сверхдоминирования. Согласно ей, в организме присутствуют гены, которые в гетерозиготном состоянии способствуют развитию признака, то есть вызывают гетерозис. В гомозиготном состоянии эти же гены неблагоприятно действуют на организм. Такие гены названы облигатно-гетерозиготными, то есть генами с двойным действием: полезным (доминантным) и вредным (рецессивным). Эти гены возникают в ходе эволюции – выживают особи с полезными доминантными генами и вредными рецессивными. Гипотеза генетического баланса. Генетический баланс – это сбалансированность всего генома (комплекса ДНК, заключенного в одном наборе хромосом), который определяет развитие организма как целого. Согласно этой теории эффект гетерозиса – это следствие влияния большого числа генов, которые в определенной степени сбалансированы в геноме под воздействием естественного или искусственного отбора. При скрещивании особей с определенными геномами образуется новая комбинация генома у потомства, которая и вызывает гетерозис. При инбридинге новая комбинация генома у потомства сопровождается обычно понижением жизнеспособности и плодовитости. Можно заключить, что скрещивание и инбридинг нарушают генетический баланс и вызывают или гетерозис, или инбредную депрессию. Гетерозис как генетическое явление, формы его проявления. Гетерозис – это явления, которые связаны с повышенной жизнеспособностью помесей (гибридов), проявляющейся на ранних стадиях развития (онтогенеза). Гетерозис неустойчив (кратковременен), он наиболее ярко (четко) проявляется у гибридов (помесей) первого поколения. Такие животные не разводятся, а реализуются на мясо, так как у их потомства эффект гетерозиса затухает. Гетерозис нельзя закрепить наследственно, его нужно всякий раз получать заново. В отдельных случаях гетерозис поддерживается приемлемом в экономическом плане уровне при помощи переменного скрещивания и других специальных методов. Считается, что у гибридов последующих поколений гетерозис угасает по причине рекомбинационных утерь. Полесский государственный университет 226 Генетика с основами биометрии Формы проявления гетерозиса: 1. Гипотетический (вероятный) гетерозис – при скрещивании двух пород (А и В) уровень продуктивности помесного (АВ) потомства равен средней показателей продуктивности исходных пород: (А+В) / 2. Расчет: ГУ 2. Абсолютный (истинный) гетерозис – продуктивность помесей первого поколения превышает таковую среднюю у родительских форм, а иногда и продуктивность лучшего родителя: 3. Относительный гетерозис – продуктивность помесей превышает показатели лишь одного из родителей, худшего: П ол ес где: Пг – признак гибрида; Пл – признак лучшей породы; Пм – признак материнской породы; По – признак отцовской породы. Скрещивание является экономически выгодным в том случае, если гибридное потомство по общей хозяйственно полезной ценности превосходит лучшего родителя. С учетом специфики форм гетерозиса его можно выделить в самостоятельные типы: репродуктивный – высокая общая продуктивность животных, которая является следствием повышения плодовитости (фертильности) и интенсивности развития их репродуктивных органов; соматический – более сильное развитие вегетативных частей (у растений), органов и частей тела (у животных); адаптивный – повышенная жизнеспособность и лучшая приспособляемость животных. Для мулов свойственен выраженный соматический гетерозис, проявляющейся большой живой массой, высоким тяговым усилием, хорошей выносливостью. Однако эти животные рождаются с недоразвитой репродуктивной системой – причина бесплодия. В этом случае имеет место частный гетерозис, при котором мощное развитие касается не всего организма, а лишь его отдельных признаков. Гетерозис, сопровождающийся превосходством родительских форм по всем признакам, возможен лишь в теории. На практике гибриды превосходят своих родителей по ограниченному числу признаков. Полесский государственный университет 227 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 5. Методы отбора В селекции к основным методам качественного улучшения животных относятся отбор и подбор. Отбор основан на выделении особей для дальнейшего их разведения. При этом отбираемые животные должны иметь желательные свойства и признаки. Особи, не отвечающие требованиям отбора, используются для производства продукции или выбраковываются. Правильный обор – это одно из основных условий улучшения хозяйственно-ценных признаков животных каждого последующего поколения. Однако сам по себе отбор не может служить гарантом всестороннего улучшения животных. За отбором следует подбор родительских форм – использование в схемах подбора лучших отобранных животных. На практике установлено, что достижение требуемого уровня продуктивности, повышение племенных качеств возможно лишь при систематическом отборе с последующим целенаправленным подбором. Естественный отбор определяется естественными условиями существования, которые «отсеивают» нежизнеспособные и оставляют жизнеспособные формы. При таком отборе преимущество получают формы, у которых по причине изменчивости появились новые признаки и свойства, благоприятствующие их выживанию в конкретных природных условиях. Сельскохозяйственные животные в сравнении с дикими сородичами в наименьшей степени подвержены влиянию естественного отбора, так как находятся в условиях, созданных и поддерживаемых на оптимальном уровне человеком. Цель искусственного отбора – улучшение продуктивных и племенных качеств животных. Поэтому искусственный отбор не всегда согласуется с естественным, так как улучшение хозяйственно-полезных признаков часто отрицательно сказывается на жизнеспособности животных. Бессознательный отбор – это вариант искусственного обора, проводимый людьми на первых этапах одомашнения животных без преследования каких-либо целей. Такой отбор не преследовал каких-то конкретных целей, например, повышение скорости роста… Позже искусственный отбор приобрел направленный характер и преследовал цель выведения животных, отличающихся желательными качествами. Ч. Дарвин назвал такой отбор методическим. Один из факторов, обуславливающих действие отбора, – наследственность животных. Надо помнить, что отклонения родителей по развитию признака от среднего значения для конкретной популяции (стадо, отара, завод и др.) наследуются потомками не в полной мере. У потомства значения показателей несколько возвращаются к средним величинам по стаду. Это регрессия. Лучшие родители, как правило, дают лучших потомков, преимущество которых по развитию признака над средним его значением для популяции Полесский государственный университет 228 Генетика с основами биометрии ес ГУ несколько меньше такового родителей. Потомство от худших животных по развитию признака превосходят родительские формы. Факторы, влияющие на эффективность отбора: обусловленность признаков наследственностью; изменчивость признаков; числом признаков, по которым отбираются животные; точность измерения признаков; интенсивность отбора; размер популяции; условия кормления и содержания животных. Чем однороднее популяция по развитию селекционируемых признаков, тем менее эффективен отбор. Обратная тенденция отмечается в популяции с высокой изменчивостью признака. Увеличение числа признаков, по которым отбираются животные, отрицательно сказывается на эффективности отбора по развитию каждого признака. По количественным (полигенным) признакам это снижение эффективности отбора пропорционально: П ол где: n – число признаков. Так, при увеличении числа признаков с 1 до 4 эффективность отбора по каждому признаку будет в 2 раза меньше: ( При отборе по нескольким признакам необходимо учитывать их взаимосвязь, характер их корреляции. При положительной корреляции отбор по одному признаку приводит к улучшению другого, взаимосвязанного с ним признака. Например, селекция по жирномолочности часто сопровождается повышением содержания белковомолочности. При отрицательной корреляции между признаками селекция по обоим признакам возможна, но сопряжена с большими трудностями. При одновременном совершенствовании стада по таким признакам необходимо широко использовать животных, у которых оба признака хорошо выражены. Односторонний отбор по развитию какого-либо одного признака может отрицательно сказаться на других. При селекции животных по любому признаку учитывается и их конституция, которая в процессе селекции не должна ослабляться. При отборе в первую очередь уделяют внимание наиболее важным признакам, что исключает вероятность их ухудшения. По мере увеличения стада или другой популяции повышается Полесский государственный университет 229 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ эффективность отбора, так как селекционеру предоставляется возможность выделять больше животных желательного типа. Чем интенсивнее отбор и чем очевиднее отличия отобранных животных по развитию признака от средних показателей по стаду, тем больше вероятность получения высокопродуктивного потомства. Отбор даст желаемых результатов лишь при полноценном кормлении и оптимальных условиях содержания. При оценке и отборе животных, проводимых по фенотипу, обязательно учитывают их происхождение, индивидуальные свойства и качество их потомства. Происхождение оценивается по фенотипу и генотипу предков и ближайших родственников. По происхождению можно определить породность животного, его принадлежность к той или иной генетической группе (линия, семейство) и методы подбора, применявшиеся при его получении. При оценке по происхождению учитывают продуктивность предков и боковых родственников (полных сестер и братьев – сибсов, а также полусестер и полубратьев – полусибсов). Учет продуктивности сибсов и полусибсов дает представление о генотипе прямых предков животных. Происхождение животных устанавливают по родословной, в которой указаны сведения о матерях и отцах животных, их дедах и бабках, прадедах и прабабках и о более отдаленных предках. В родословной предки животного указываются в соответствующих рядах, которые обозначают римскими цифрами I, II, III и т. д. В I ряд родословной записываются родители, во II – деды и бабки, в III – прадеды и прабабки Стадии (ступени) отбора: 1. Оценка животного по происхождению. Цель – определение дальнейшего назначения животного – выращивание на племя или на мясо 2. Оценка животного по индивидуальным качествам: по развитию и в последующем по его продуктивности. Сначала учитываются признаки, по которым проводят селекцию. К таковым относится энергия роста, уровень продуктивности, телосложение, плодовитость. 3. Оценка племенной ценности животного, его генотипа по качеству потомства. Для такой оценки используются данные зоотехнического учета и результаты испытания животных по продуктивности потомства. Потомство, отбираемых животных, сравнивается с матерями, со сверстницами, со стандартом по породе, со средними показателями по стаду. В племенных хозяйствах и на племенных фермах результаты отбора ежегодно отражаются в бонитировке животных, при которой оценивается развитие ведущих признаков. Признаки, учитываемые при бонитировке животных, зависят от их видовых, породных особенностей и направления селекции. По результатам бонитировки животных распределяют на классы: Полесский государственный университет 230 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ крупный рогатый скот: элита-рекорд; элита; I и II классы; свиньи и лошади: элита; I и II классы; овцы: I; II и III классы. На основании данных бонитировки определяют дальнейшее назначение животного и составляют план спариваний. Способы отбора, используемые в современной селекции: массовый; индивидуальный. Массовый отбор – это отбор особей по фенотипу, то есть с фенотипическим выражением положительных признаков, без проверки генотипа. Фенотипическое выражение признака в большей степени определяется генотипом, реже – факторами внешней среды. Отбор будет эффективным, если учитывать долю генотипа в общей фенотипической изменчивости. Кроме всего прочего, следует учитывать коэффициент наследуемости признаков, по которым отбираются животные. Этот показатель выражается в процентах и отражает долю фенотипической изменчивости признака, которая контролируется его генотипом, то есть по коэффициенту наследуемости можно судить о наследственной обусловленности изменчивости, наследуемости данного признака. Если коэффициент наследуемости равен 100% или приближается к этому значению, фенотипическое разнообразие определяется в основном различиями особей в генотипе. В этом случае можно смело говорить о целесообразности отбора, так как отбор фенотипов сводится к отбору генотипов. Коэффициент наследуемости, равный или приближающийся к нулю, свидетельствует о полном или почти полном генотипическом сходстве особей. Фенотипическое разнообразие в данном случае является результатом действия факторов внешней среды и представляет собой модификационную изменчивость. При низком коэффициенте наследуемости отбор нерационален. Иногда массовый отбор ведется не непосредственно по селекционному признаку, а по так называемым маркерам – признакам, тесно сцепленным с селекционным. Часто отбор по фенотипу приводит к неожиданному результату: в потомстве особей хозяйственно-ценный признак не проявляется или значительно ослаблен. В таком случае целесообразно прибегать к индивидуальному отбору, позволяющему оценить качества особи по потомству. Изучая наследование признака в ряду поколений, можно оценить генотип особи и способность ее передавать признаки потомству. При проведении индивидуального отбора у растений и животных популяцию обычно разделяют на чистые линии посредством инбридинга. При этом отбор линий ведется по желательным признакам, а остальные линии Полесский государственный университет 231 Генетика с основами биометрии ес ГУ выбраковываются. Чистые линии после инбридинга и отбора, в результате которых повышается концентрация ценных генов в потомстве, становятся материалом для дальнейшей селекции. Оценка генотипа при индивидуальном отборе может проводиться и путем составления родословной особей. Этот метод иногда дает отрицательные результаты, так как особь с отличной родословной не всегда несет желаемую комбинацию генов и у потомства не окажется ценных качеств. Наследственные свойства особей могут оцениваться также по продуктивности родственных особей с помощью метода сиб-селекции. Например, петушки часто отбираются по продуктивности (яйценоскость, масса яйца, живой вес) их родных сестер. Длительнее, но результативнее оценка генотипа особи с помощью проверки наследуемости признака в потомстве. Так, при массовом отборе в стаде кур выбираются те, которые дают больше яиц в год. Но может оказаться, что дочери особи, не представляющей интереса для селекционера при массовом отборе, дадут большую яйценоскость, чем дочери особи с лучшими показателями по этому признаку. Генотип быка в стаде коров также можно проверить по потомству, полученному от скрещивания его с дочерями: рождение хотя бы от одной из них уродливого теленка указывает на то, что бык является носителем летального гена. П ол 6. Подбор Подбор животных – важный этап селекционной работы, который следует за отбором. Формы подбора: Индивидуальный подбор проводится в племенных хозяйствах. Основная цель, преследуемая селекционерами при таком подборе, – получение высокоценных племенных животных, в первую очередь производителей. При таком подборе тщательному изучению подлежит вся информация о спариваемых животных: происхождение, принадлежность к линии или семейству, сочетаемость животных родственных групп, к которым принадлежат производитель и матка, продуктивные и племенные качества спариваемых между собой животных, их конституциональные и экстерьерные особенности. В племенных хозяйствах чаще прибегают к линейно-групповому методу, при котором матки, принадлежащие к одной родственной группе, спариваются с производителями определенной линии или родственной группы. При этом животные подбираются с учетом плана племенной работы. Групповой подбор. Чаще применяется в товарных хозяйствах применяют. Такой подбор основан на прикреплении ко всем маткам производителей одной линии или родственной группы. С целью Полесский государственный университет 232 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ профилактики бессистемного инбридинга периодически меняют линии, производителей. С этой же целью проводятся плановые ротации линий. Например, на фермах крупного рогатого скота линии производителей сменяются один раз через каждые два года. В зависимости от цели племенной работы подбор бывает: однородным (гомогенным); разнородным (гетерогенным). Гомогенный подбор направлен на усиление развития селекционируемых признаков и консолидацию (повышение) наследственности животных. При таком подборе спариваются матки и производители с хорошо развитыми однотипными селекционируемыми признаками. Однако на практике доказано, что при гомогенном подборе рациональнее использовать производителей, которые по развитию селекционируемых признаков несколько превосходят маток. Это так называемый улучшающий подбор. Гетерогенный подбор предусматривает участие в схемах подбора животных, которые с разной степенью развития селекционируемых признаков. При таком подборе производители по развитию селекционируемых признаков несколько превосходят маток. Примером такого подбора может служить массовое преобразование малопродуктивных аборигенных животных в высокопродуктивные путем скрещивания их с производителями культурных пород. Гетерогенный подбор применяют и при создании из двух пород новой породы или производственных типов животных, сочетающих ценные качества обеих исходных пород. Он используется также для получения в потомстве гетерозиса по развитию признаков, отличающихся малой наследуемостью, что находит распространение при выведении помесных и гибридных свиней и птицы. Родственное и неродственное спаривание. Обязательным условием при подборе является учет степени родства (или отсутствия такового) животных, участвующих в схемах подбора. Определить это можно по родословным, в частности по тому, имеют ли они одного или нескольких общих предков. В тех случаях, когда общий предок производителя и матки находится в пределах до V ряда родословной, спаривание считают родственным (инбридингом). Степень родства обычно обозначается способом, который предложил немецкий ученый Шапоруж. Ряды родословной, в которых встречается общий предок, обозначаются римскими цифрами: 1. Тесное родственное спаривание (кровосмешение) – I-II, II-I, I-III, III-I, II-II; 2. Близкое родственное спаривание – II-III, III-II, I-IV, IV-I, III-III; 3. Умеренное родственное спаривание – III-IV, IV-III, II-V, V-II, IIIV, IV-II; 4. Отдаленное родственное спаривание – III-V, V-III, V-V, IV-V, VIV; Полесский государственный университет 233 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ В тех случаях, когда общий предок находится далее V ряда родословной, спаривание относят к неродственному. В случаях, когда у животных общих предков несколько, степень родства указывают по каждому предку. Если один из родителей инбредный или в родословной предки встречаются 2 раза, то ряды таких предков отделяют через запятую. Инбридинг – одна из форм гомогенного подбора, так как спариваемые животные сходны по генотипу. Такое подход к подбору позволяет закреплять и развивать у потомков качества, присущие предкам, а также консолидировать наследственность. При родственном спаривании особое внимание уделяется крепости конституции животных. Чем систематичнее инбридинг, особенно близкий, тем выше вероятность ослабления конституции, снижения плодовитости и продуктивности, нарушения нормального развития животных. Все это следствия инбредной депрессии, которая чаще объясняется повышением гомозиготности животных по рецессивным генам, обусловливающим те или иные нарушения в развитии организма, которые у гетерозиготных особей не проявляют своего действия. Такие гены называют летальными или полулетальными. Поэтому в племенных хозяйствах чаще применяется умеренный инбридинг. Нередко инбредных животных спаривают с неродственными (топкросс). Этот селекционный прием делает доступным использование ценных инбредных для улучшения стада. Полесский государственный университет 234 Генетика с основами биометрии 9.2 ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ РЫБ ПЛАН 1.Цели и задачи селекции рыб. 2. Селекция карпа. П ол ес ГУ 1.Цели и задачи селекции рыб Быстрое развитие рыбоводства в естественных водоемах Республики Беларусь позволит значительно увеличить производство высококачественной пищевой рыбной продукции. Интенсификацию рыбоводства в прудах, озерах и водохранилищах, а также разумную организацию рыбных промыслов в естественных водоемах необходимо базировать на строго научной генетико-селекционной работе, что требует развертывания генетико-селекционных исследований. Эти исследования нужно вести в нескольких направлениях. Главными из них являются: а) изучение изменчивости и наследственности прудовых и выращиваемых в садках и бассейнах рыб; б) разработка методов селекции прудовых рыб и создание новых, более продуктивных пород этих рыб; в) селекция озерно-речных рыб, размножение которых может быть поставлено под контроль человека; г) изучение генетических основ подвидовой и популяционной структур вида у промысловых рыб; д) изучение индивидуальной генетической изменчивости в природных популяциях рыб. Основными целями изучения селекции рыб является: 1. Освоение методов селекционной работы в прудовом и индустриальном рыбоводстве. 2. Изучение изменчивости и наследственности, прудовых и выращиваемых в садках и бассейнах рыб. 3. Разработка методов селекции прудовых рыб и создание новых, более продуктивных пород этих рыб. 4. Селекция озерно-речных рыб, размножение которых может быть поставлено под контроль человека. Основными задачами являются: 1. изучение породного и видового состава популяции прудовых рыб Беларуси; 2. освоение методов разведения и приемов селекции, повышающие продуктивность рыбоводства. Генетические методы селекции рыб: Полесский государственный университет 235 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 1. Индуцированный мутагенез – способ повышения генетической изменчивости за счет возникновения мутаций при обработке гамет мутагенами физической (ионизирующее и ультрафиолетовое излучение) или химической (нитрозоэтилмочевина, диметилсульфат и др.) природы. В качестве мутагенов в селекции рыб целесообразно применять алкилирующие соединения и ультрафиолетовое излучение, поскольку они индуцируют в основном генные мутации. Использование ионизирующих излучений приводит к образованию хромосомных перестроек, обусловливающих значительное (до 100%) снижение жизнеспособности и появление большого числа уродств и аномалий. Поэтому оно не нашло применения в селекции рыб. Использование индуцированного мутагенеза особенно актуально при снижении генетической изменчивости селекционируемого материала, когда применение традиционных методов селекции малоэффективно. 2. Гиногенез – это форма полового размножения организмов, при которой сперматозоид, проникая в яйцеклетку, стимулирует еѐ развитие, но его ядро не сливается с ядром яйца и не участвует в последующем развитии зародыша. Это процесс называют ложным оплодотворением – псевдогамией. По этой причине иногда гиногенез рассматривают как одну из форм партеногненеза. Естественный гиногенез обнаружен у некоторых нематод, костистых рыб, земноводных и многих видов покрытосеменных растений. Иногда в гиногенетических популяциях самцы не известны и яйца осеменяются спермой других видов (например, икра карася молоками щуки). Рисунок 1 – Схема получения диплоидного индуцированного гиногенеза у рыб Полесский государственный университет 236 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Экспериментально гиногенез может быть получен при осеменении яиц спермой неродственных видов, инактивацией ядра сперматозоида физическими или химическими агентами, или механическим удалением мужского пронуклеуса из яйца. Однако развивающиеся при этом гаплоидные зародыши обычно нежизнеспособны. Для получения диплоидного гиногенеза нужно подавить цитотомию одного из делений созревания яйцеклетки или одного из первых делений дробления зиготы. В первом случае будет получена диплоидная яйцеклетка, во втором – произойдѐт диплоидизация одного из бластомеров (рисунок 1). Гиногенез используют для получения строго гомозиготных организмов, а также особей одного, обычно женского, пола. В рыбоводстве для получения высокоинбредных линий, предназначенных для промышленной гибридизации, применяется индуцированный гиногенез. С помощью гиногенеза можно решить такие важные вопросы, как определение степени паратипической изменчивости, точная оценка величины инбредной депрессии у рыб, быстрое выявление и анализ наследования рецессивных генов и др. В селекции индуцированный гиногенез используется, прежде всего, для ускоренного получения инбредных линий с целью последующей промышленной гибридизации на получение эффекта гетерозиса. 3. Андрогенез – это такая форма размножения организмов, при которой в развитии зародыша участвует мужское ядро, привнесѐнное в яйцо сперматозоидом, а женское не участвует. Естественный андрогенез происходит у некоторых видов наездников, кукурузы, табака в тех случаях, когда ядро яйцеклетки погибает до оплодотворения. В таком случае оплодотворение оказывается ложным (псевдогамия). Андрогенез может быть вызван искусственно. Для этого нужно механически удалить или инактивировать женское ядро. Полученные гаплоидные зародыши обычно имеют низкую жизнеспособность. Явление андрогенеза используют при исследовании роли ядра в наследственности, изучения ядерно-цитоплазматического взаимодействия, для получения строго гомозиготных организмов, а также животных одного пола. Андрогенез представляет особый интерес в связи с проблемой сохранения генофондов исчезающих видов рыб. Сохранить редкие и исчезающие виды рыб можно при осеменении криоконсервированной спермой исчезающего вида инактивированных яйцеклеток самок близкого вида и удвоении мужских хромосом. Для получения андрогенетического потомства на первом этапе инактивируют яйцеклетки большими дозами радиации и осеменяют их. На втором этапе блокируют первое деление дробления гаплоидных зародышей, что приводит к получению жизнеспособных диплоидных андрогенетических рыб (рисунок 2). Полесский государственный университет 237 Генетика с основами биометрии Рисунок 2 – Схема индуцированного диплоидного андрогенеза П ол ес ГУ Андрогенез, как и гиногенез можно использовать при создании клонов рыб и для получения высокоинбредных самцов без применения гормональной инверсии пола. В настоящее время получены андрогенетические потомства у радужной форели, карпа и некоторых других видов рыб (рисунок 3). Рисунок 3 – Схема получения андрогенетических межвидовых гибридов 4. Гормональная и генетическая регуляция пола является перспективным направлением в рыбоводстве, поскольку самцы и самки часто представляют разную хозяйственную ценность. Так у осетровых и лососевых рыб самки продуцируют высокоценный пищевой продукт – черную и красную икру, в карповодстве южных районов самки на 10-20 % крупнее самцов, вследствие более раннего созревания последних и, соответственно, снижения темпов их роста. Наиболее простым способом получения однополо-женских потомств является переопределение пола при действии на генотипических самцов женскими половыми гормонами – эстрогенами. Полесский государственный университет 238 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Существенным недостатком этого метода является необходимость обработки гормонами очень большого числа рыб. Это сложно выполнять в промышленном рыбоводстве. Более перспективной является генетическая регуляция пола, при которой интактные самки скрещиваются с инвертированными гормональным воздействием самцами. При этом отпадает необходимость обработки гормонами большого числа рыб, необходимо иметь небольшое число инвертированных самцов, используя их в качестве производителей. 5. Индуцированная полиплоидия – искусственное увеличение у организмов числа гаплоидных наборов хромосом. В рыбоводстве в основном получают особей с триплоидным набором хромосом. Триплоидные рыбы стерильны. Это делает их выгодными объектами для товарного выращивания. Стерильность триплоидов обусловливается тем, что третий непарный набор хромосом препятствует нормальному прохождению мейоза в половых клетках. Наиболее часто используемым и простым способом получения триплоидных рыб является блокирование второго деления мейоза в яйцеклетках при осеменении их интактными (необлученными) спермиями. При этом к диплоидному женскому пронуклеусу присоединяется гаплоидный мужской и развиваются триплоидные эмбрионы. Для удвоения набора хромосом женского пронуклеуса применяют такие же воздействия, как и при индуцированном гиногенезе (рисунок 4). Рисунок 4 – Индуцированная полиплоидия Другой способ получения триплоидных рыб заключается в получении тетраплоидных самок и дальнейшем скрещивании с обычными диплоидными самцами. Такой метод получения триплоидов был разработан для амфибий, впоследствии показана возможность применения на рыбах. Тетраплоидных рыб получают путем блокирования с помощью шоков первого деления дробления диплоидных эмбрионов на стадии анафазы митотического деления. Такой способ получения триплоидных рыб удобен, поскольку в этом случае Полесский государственный университет 239 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ отпадает необходимость каждый раз применять шоки, однако он менее разработан. Индуцированную полиплоидию часто сочетают с отдаленной гибридизацией, что позволяет получать аллотриплоидных гибридов, имеющих два гаплоидных набора одного вида и один – другого вида. Часто такие гибриды обладают полезными качествами, отсутствующими у исходных форм. С использованием этого способа получены триплоидные карасекарповые гибриды, сочетающие полезные качества родительских видов – быстрый темп роста карпа и хорошую приспособленность к условиям внешней среды карася. 6. Генная инженерия – это раздел биотехнологии, целью которого является целенаправленное конструирование в лабораторных условиях новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке и синтезировать определѐнный продукт. Методами генной инженерии можно изменять существующие геномы путем введения в них генов, полученных из геномов других видов или синтезированных искусственно. Организмы, имеющие в геноме чужеродную информацию, называют трансгенными. Первые опыты по получению трансгенных рыб были проведены китайскими учеными в 1985 году. В этих опытах в геном золотой рыбки был введен ген гормона роста человека. Позднее было установлено, что чужеродные гены, встроенные в геном рыбы, могут успешно функционировать и передаваться по наследству. С помощью методов генной инженерии можно повысить устойчивость рыб к неблагоприятным факторам среды и заболеваниям. Например, канадские ученые ввели в геном атлантического лосося ген белка-антифриза камбалы. Это позволило повысить устойчивость лосося к низким температурам. 2. Селекция карпа Селекционная работа с карпом в нашей стране была начата в 30-е годы XX столетия. В настоящее время создан ряд культурных пород, приспособленных к интенсивному выращиванию в конкретных экологоклиматических условиях. Приблизительно в это же время появляются первые труды отечественных ученых в области генетики и селекции прудовых рыб. Большое значение для совершенствования селекционной работы имеют исследования по генетике чешуйного покрова карпа, проведенные в довоенные годы B.C. Кирпичниковым, К.А. Головинской и В.И. Балкашиной. В послевоенные годы были организованы работы по селекции ропшинского, белорусского и парского карпов, открыто явление естественного гиногенеза у серебряного карася. Полесский государственный университет 240 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ В 60-70 годах XX века вопросы селекции и племенного дела в рыбоводстве интенсивно разрабатывали ведущие отраслевые научноисследовательские институты. Были начаты работы по созданию ряда районированных пород карпа – краснодарского, среднерусского, казахстанского, сарбоянского и других. В эти годы были проведены исследования по частной генетике карпа: изучение окраски В.Я. Катасоновым и биохимические исследования К.А. Трувелером, Л.И. Московкиным и другими. Отечественными учеными были разработаны специальные генетические методы селекции в рыбоводстве: индуцированный гиногенез и полиплоидия, генетическое и гормональное регулирование пола, индуцированный ультрафиолетовый и химический мутагенез. В Беларуси карп (в основном европейский С. carpio carpio) – главный объект прудового рыбоводства, обеспечивает более 90% производства прудовой рыбы или около 70% вылова всей рыбы в республике. В 1948 г. в БССР завезѐн амурский карп (С. carpio haematopterus), расселѐнный по озѐрам бассейнов Западной Двины и Вилии. В естественных условиях карп образует помеси с карасѐм, но они никогда не достигают значительных размеров и не закрепляются в потомстве. Основная ценность карпа обусловлена высокой плодовитостью и продуктивностью, быстрым ростом, нетребовательностью к условиям обитания. Имеются достоверные данные о поимке в начале 20 в. сазана массой 45 кг близ Таганрога. В Беларуси на водохранилище Вяча был пойман карп массой 12 кг. Максимальный возраст карпов не превышает, по-видимому, 20 лет. На сегодняшний день в нашей стране получены следующие результаты в селекционной работе с карпом: 1. Утверждены три породы белорусского карпа: «Лахвинский чешуйчатый», «Изобелинский» и «Тремлянский». Лахвинский чешуйчатый Изобелинский 2. Создан коллекционный генофонд карпа, включающий восемь линий белорусской селекции, пять импортных пород и амурского сазана ханкайской популяции. 3. Разработана перспективная схема двух породных (линейных) промышленных скрещиваний. Полесский государственный университет 241 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 4. Сформирован исходный генофонд для создания белорусской зеркальной породы карпа. 5. Проведен отбор самок карпа с улучшенными воспроизводительными качествами и сформированы группы младшего ремонта с потенциально повышенной плодовитостью. 6. Разработана селекционная программа по совершенствованию существующих и выведению новых пород карпа в Республике Беларусь. 7. Созданы критерии отбора производителей карпа на основе комплексов генетических и физиологических показателей. 8. Выполнена оценка генетического разнообразия и созданы экологогенетические и молекулярно-биологические паспорта карпа белорусской селекции. 9. Проведен скрининг молекулярно-биологических и цитологических биомаркеров чувствительности производителей карпа и их потомства к стрессу и заболеваемости с целью интенсификации селекционного процесса по повышению адаптивных способностей, темпа массонакопления и репродуктивных качеств. 10. Начаты работы по разработке селекционных и компьютерных программ для племенного рыбоводства. Полесский государственный университет 242 Генетика с основами биометрии 10. ОСНОВЫ БИОМЕТРИИ ПЛАН 1. Значение биометрии. Генеральная совокупность и выборка. 2. Группировка данных в вариационный ряд. 3. Графическое изображение вариационного ряда. 4. Средние величины. Определение коэффициента достоверности. П ол ес ГУ 1. Значение биометрии. Генеральная совокупность и выборка Биометрический анализ строится на математической статистке, теории вероятностей и законе больших чисел, используемых с целью выявления закономерностей проявления больших случайных событий на фоне массового материала. В качестве объекта биометрии выступает любой варьирующий признак, который поддается учету в группе особей. Требования к группе: однородность других основных признаков и достаточная численность особей. Биометрия позволяет решать теоретические и практические вопросы во многих сферах человеческой деятельности. Например, биометрический анализ является одним из этапов исследований, направленных на совершенствование стад сельскохозяйственных животных. С помощью биометрического анализа были проведены массовые антропологические измерения, позволившие обосновать принципы раскроя и стандартизации наиболее востребованной обуви и одежды. Биометрические показатели используются при количественной оценке физического развития человека, его спортивных и трудовых достижений. Конечно, не в каждом исследовании есть необходимость в принципах биометрии. В биологии часто пользуются чисто описательными методами, в процессе которых не пребегают к количественной оценке получаемых результатов. В то же время надо понимать, что в исследованиях, предполагающих использование счета или меры, применение биометрии очень важно. Пренебрежение биометрическим анализом, неправильный подход к нему повышает вероятность неправильной интерпретации результатов и их применения в той или иной отрасли. Все это естественно сопровождается неоправданными затратами труда и времени. Изучать можно всех членов совокупности без единого исключения. В этом случае наблюдение называется сплошным или полным. Такой подход наблюдения хорош тем, что дает иссдедователям исчерпывающую информацию об изучаемом объекте, но требует больших временных, трудовых и финансовых затрат. Поэтому обычно отбирается некоторая часть совокупности. Генеральная совокупность – это совокупность, из которой отбирают Полесский государственный университет 243 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ определенную часть ее членов для совместного изучения. Выборочная совокупность (выборка) – отобранная тем или иным способом часть генеральной совокупности. Преимущество – сокращает время и затраты труда за счет уменьшения числа наблюдений, а главное – позволяет получать информацию о таких групповых объектах, сплошное обследование которых практически невозможно или нецелесообразно. Выборка должна правильно отражать качества и особенности членов, составляющих генеральную совокупность. Такое условие обеспечивается случайным отбором – рендоминизацией. Существует два основных способа отбора вариант из генеральной совокупности: повторный отбор производят по схеме «возвращения» учтенных единиц в генеральную совокупность, так что одна и та же единица может попасть в выборку повторно; бесповторный отбор учтенные единицы не возвращаются в генеральную совокупность, каждая отобранная единица регистрируется только один раз. Идеальный случайный отбор производится по методу жеребьевки или лотереи, а также с помощью таблицы случайных чисел, позволяющих полностью исключить субъективное влияние на состав выборки. Также применяют и другие виды выборки из генеральной совокупности: 1. Типический отбор – используют, когда генеральная совокупность расчленяется на отдельные (типические) группы. 2. Серийный отбор – генеральную совокупность предварительно делят на группы, образуемые обычно по территориальному принципу, затем из общего количества серий или гнезд отбирают некоторое их число для совместной обработки. 3. Механический отбор – генеральная совокупность разбивается на несколько равных частей или групп, из которых после случайным способом отбирают по одной единице. 2. Группировка данных в вариационных рядах Статистическая группировка – это процесс разбивания многочисленных единиц исследуемой совокупности на части по анализируемым признакам. В данном случае стремятся получить качественно однородные (в определенном отношении) группы. Формы группировок: 1. Статистические таблицы: простые – статистические таблицы, в подлежащем которых дается перечень единиц, составляющих объект изучения; сложные – многопольные таблицы, применяемые при изучении Полесский государственный университет 244 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ корреляционной зависимости и при выяснении причинно-следственных отношений между варьирующими признаками. 2. Статистические ряды – ряд числовых значений признака, расположенных в определенном порядке. В зависимости от признака, положенного в основу образования ряда распределения, различают: атрибутивные ряды – ряды распределения, построенные по качественным признакам; вариационные ряды – ряды распределения, построенные по количественному признаку и состоящие из вариантов и частот; варианты (x) – отдельные значения признака, которые он принимает в вариационном ряду, т.е. конкретное значение варьирующего признака. частоты (f) – числа, показывающие, как часто встречаются те или иные варианты в ряду распределения. ранжирование – расположение членов ряда в возрастающем (или убывающем) порядке. В зависимости от того, как варьирует признак (дискретно или непрерывно, в широком или узком диапазоне) статистическая совокупность распределяется в: безынтервальный вариационный ряд (частоты относятся непосредственно к ранжированным значениям признака, которые приобретают положение отдельных групп или классов вариационного ряда); интервальный вариационный ряд (подсчитывают частоты, относящиеся к отдельным промежуткам или интервалам, на которые разбивается общая вариация признака в пределах от минимальной до максимальной варианты данной совокупности). Классовые интервалы: 1. Равноинтервальные вариационные ряды. 2. Неравноинтервальные ряды (характер распределения частот меняется по мере изменения ширины классовых интервалов). Приступая к построению равноинтервального вариационного ряда, необходимо правильно наметить ширину классового интервала, так как грубая группировка (очень широкие классовые интервалы) искажает типичные черты варьирования и снижает точность числовых характеристик ряда. При выборе чрезмерно узких интервалов точность обобщающих числовых характеристик повышается, но ряд получается слишком растянутым и не дает четкой картины варьирования. Для получения хорошо обозримого вариационного ряда и обеспечения достаточной точности, вычисляемых по нему числовых характеристик, следует разбить вариацию признака (в пределах от минимальной до максимальной варианты) на такое число групп или классов, которое Полесский государственный университет 245 Генетика с основами биометрии удовлетворяло бы обоим требованиям. Эту задачу решают делением размаха варьирования признака на число групп (классов), намечаемых при построении вариационного ряда: , (1) где: – величина классового интервала; xmax, xmin– максимальная и минимальная варианты совокупности; K – число классов, на которые следует разбить вариацию признака. Величину K можно определить по формуле Стерджеса: ГУ K=1+3, 32 lg n, (2) где: n – численность совокупности. При наличии в совокупности большого числа членов (n>100) можно использовать следующую формулу: ес K=5 lg n , (3) П ол Если признак варьирует дискретно и слабо, т.е. в узких границах (величина K оказывается равной единице или может быть приравнена к единице), данные распределяются в безынтервальный вариационный ряд. Если же признак варьирует в широких границах, то независимо от того, как он варьирует – дискретно или непрерывно, по данным строят интервальный вариационный ряд. При построении вариационного ряда необходимо: В сводке исходных данных отыскать минимальную ( и максимальную варианты, используя формулу 1, определить величину классового интервала . Если окажется, что =1, собранный материал распределяется в безынтервальный вариационный ряд; если же 1, исходные данные необходимо распределять в интервальный ряд, при этом точность величины классового интервала должна соответствовать точности, принятой при измерении признака. При построении интервального вариационного ряда следует поступать так, чтобы минимальная варианта совокупности попадала примерно в середину первого классового интервала. Этому требованию удовлетворяет формула: = Полесский государственный университет - /2 , (4) 246 Генетика с основами биометрии ГУ где н – нижняя граница первого классового интервала; min – минимальная варианта исследуемой совокупности; – величина классового интервала. Наметив классовые интервалы, необходимо определить частоты каждого класса. Следующий шаг – замена классовых интервалов на их центральные или срединные значения. В результате интервальный вариационный ряд превращается в безынтервальный. Необходимость такой замены вызывается тем, что обобщающие числовые характеристики (средняя, дисперсия и др.) вычисляются по безынтервальным рядам. Средние значения классовых интервалов , как это следует из формулы 4, отстоят от их нижних границ на величину, равную половине классового интервала. Более точное значение центральной величины классового интервала можно получить по формуле: , (5) ес где – конечная точка интервала, равная т.е. началу следующего класса, уменьшенному на точность измерения признака. Середины классов приобретают значения отдельных вариант и называются классовыми вариантами в отличие от конкретных вариант, составляющих данную совокупность. П ол 3. Графическое изображение вариационного ряда Для наглядного представления закономерностей варьирования количественных признаков, вариационные ряды изображают в виде графиков. При построении графика безынтервального вариационного ряда необходимо: 1. По оси абсцисс отложить срединные значения классов, по оси ординат – частоты. 2. Соединить вершины перпендикуляров прямыми линиями – полигон распределения частот. Линия, соединяющая вершины перпендикуляров, называется вариационной кривой (рисунок 1). При построении графика интервального вариационного ряда необходимо: 1. По оси абсцисс отложить границы классовых интервалов, по оси ординат – частоты интервалов. 2. В результате получается так называемая гистограмма распределения частот (рисунок 2), которую в дальнейшем можно преобразовать. 3. Если из середин верхних сторон прямоугольников гистограммы опустить перпендикуляры на ось абсцисс, гистограмма превращается в Полесский государственный университет 247 Генетика с основами биометрии ГУ полигон распределения, а линия, соединяющая середины верхних сторон прямоугольников гистограммы, будет представлять собой вариационную кривую. П ол ес Рисунок 1 – График безынтервального вариационного ряда Рисунок 2 – Гистограмма распределения частот Если по оси абсцисс отложить значения классов, а по оси ординат – накопленные частоты с последующим соединением точек прямыми линиями кумулята (рисунок 3). Накопленные частоты находят последовательным суммированием, или кумуляцией частот в направлении от первого класса до конца вариационного ряда. Для построения огивы (рисунок 4) (линейного графика) необходимо отложить по оси абсцисс частоты, а по оси ординат – значения классов с Полесский государственный университет 248 Генетика с основами биометрии 9 11 13 15 значения классовых интервалов Рисунок 3 – Кумулята 13 12 11 10 0 20 40 60 100 кумулированные частоты ГУ 100 80 60 40 20 0 значения классовых вариант кумулированные частоты последующим соединением геометрических точек прямыми линиями. Рисунок 4 – Огива П ол ес При построении графиков пользуются правилом «золотого сечения»: основание геометрической фигуры должно относиться к ее высоте, как 1: 0,62. Применительно к построению вариационной кривой масштабы на осях прямоугольных координат следует выбирать с таким расчетом, чтобы основание кривой было в 1,5-2,0 раза больше ее высоты (т.е максимальной ординаты). Откладывая по оси абсцисс классы вариационного ряда, следует также доводить крайние из них до нулевых классов, в которых не содержится ни одной варианты. 4. Средние величины. Определение коэффициента достоверности Основными статистическими показателями, характеризующими средний уровень варьирующего признака в совокупности, служат величины средних значений признака. При распределении собранных данных в неравноинтервальный вариационный ряд более подходящей обобщающей характеристикой изучаемого объекта служит так называемая плотность распределения, т.е. отношение частот или частей к ширине классовых интервалов. Кроме того, числовыми характеристиками таких рядов могут служить средние из абсолютных или относительных показателей плотности распределения. Средняя плотность показывает, сколько единиц данной совокупности приходится в среднем на интервал, равный единице измерения учитываемого признака. В качестве статистических характеристик равноинтервальных вариационных рядов применяют степенные и структурные (нестепенные) средние величины. К степенным средним относятся: 1. Средняя арифметическая – показывает какое значение признака Полесский государственный университет 249 Генетика с основами биометрии наиболее характерно в целом для конкретной совокупности. простая средняя арифметическая сумма совокупности, деленная на их общее число: = = ∑ всех i, членов (6) = ∑ . –частоты вариант. ГУ где: i – значения вариант; ∑ – знак суммирования вариант в пределах от первой ( i ) до n-й варианты; n – общее число вариант, или объем данной совокупности. взвешенная средняя (при повторении отдельных вариантов): , (7) ̿ ес При объединении групповых средних их весами будут объемы групп , по которым эти средние вычислены. Общую (взвешенную) среднюю арифметическую нескольких однородных групп определяют по формуле: ∑ ∑ , (8) П ол Средняя арифметическая – одна из основных характеристик варьирующих объектов, которая обладает рядом важных свойств. 4. Если каждую варианту статистической совокупности уменьшить или увеличить на некоторое произвольно взятое положительное число А, то и средняя уменьшится или увеличится на это число. 5. Если каждую варианту разделить или умножить на какое-либо одно и то же число А, то средняя арифметическая изменится на столько же раз: 6. Сумма произведений отклонений вариант от их средней арифметической на соответствующие им частоты равна нулю. 7. Сумма квадратов отклонений вариант от их средней ̅ меньше суммы квадратов отклонений тех же вариант от любой другой величины А, не равной ̅ , т. е. ( )2 < ( )2 . Рассмотренные свойства средней арифметической позволяют преобразовывать многозначные и дробные числа, что облегчает работу по вычислению статистических характеристик. 2. Средняя гармоническая ̅ .) – сумма обратных значений вариант, деленная на их число. Применяется при вычислении среднего уровня, характеризующего скорость какого-либо процесса. Полесский государственный университет 250 Генетика с основами биометрии Для определения простой и взвешенной средней гармонической применяют формулы: = и = ⁄ , ( ⁄ ) (9) , (10) ГУ где: n –число произведенных наблюдений; – значения вариант; – частоты. 3. Средняя квадратическая . Необходима для измерения вариации признака в совокупности: =√ ∑ (11) ес или при повторяемости отдельных вариант: =√ (12) . Позволяет характеризовать объемные П ол 4. Средняя кубическая̅̅̅̅ признаки: ∑ =√ ∑ (13) или используется при повторяемости отдельных вариант: = 3√ ∑ (14) 5. Средняя геометрическая ̅̅̅ . Этот показатель представляет собой корень n-й степени из произведений членов ряда, = √ , где n –объем совокупности; при этом >0. Обычно среднюю геометрическую вычисляют с помощью десятичных логарифмов: lg Полесский государственный университет = ∑ (15) 251 Генетика с основами биометрии lg = lg ∑ ⁄ (16) = (17) ГУ Первую формулу применяют для вычисления средней геометрической из абсолютных прибавок величины признака; вторая формула служит для вычисления средней геометрической из относительных прибавок величины признака за равные промежутки времени, а третью формулу используют для вычисления средней геометрической по разности между конечной и начальной прибавками величины признака. Степенные средние можно вычислить и из общей формулы: М=* (18) , (19) ес или: M= √ +1/r П ол где: M – средняя величина; ̅ – варианта; n – число наблюдений, для которых вычисляют среднюю; r – величина, по которой определяют вид средней. Так, при r =1 получается средняя арифметическая, при r = 2 – средняя квадратическая, при r = 1 образуется средняя гармоническая и т.д. Необходимо отметить, что между степенными средними существуют определенные соотношения, выражаемые следующим рядом мажорантности (неравенства): > > > . Структурные средние: 1. Мода (Мо) – варианта наиболее часто встречающаяся в совокупности: Мо = Wo+i ( ), (20) где: Wo – нижняя граница модального класса; i – величина классового промежутка; – частота класса, предшествующего модальному; – частота модального класса; – частота класса, следующего за модальным; 2. Медиана (Ме) – варианта, расположенная в центре вариационного ряда и делящая его на две равные части (с уменьшающимися и увеличивающимися значениями x от медианы): Ме =Wo +i ( Полесский государственный университет ), (21) 252 Генетика с основами биометрии где: Wo – начало класса, в котором находится медиана; i – величина классового промежутка; n – общее число вариант в группе; – сумма частот классов, предшествующих классу, где находится медиана; – частота класса, в котором находится медиана. Часто исследования предполагают расчет коэффициента достоверности разницы между средними арифметическими значениями сравниваемых групп по определенным признакам, например, по среднесуточному приросту живой массы поросят разных генотипов по локусу гена IGF-2. Этот показатель рассчитывается по следующей формуле: , ГУ √ (22) где: m1, m2 – ошибки средних арифметических значений показателя у сравневыемых групп. Формула для расчета m выглядит следующим образом: ес , (23) П ол где: n – объем выборки (число измерений или испытуемых)/ Зная коэффициент достоверности, можно по таблице, приведенной ниже, определить характер разницы между значениями показателя – тенденция или закономерность. Полесский государственный университет 253 П ол ес ГУ Генетика с основами биометрии Полесский государственный университет 254 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 1 ТЕМА: Клетка как основа наследственности и размножения (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить материальные закономерностей наследования признаков. основы менделеевских П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Наследственность – это свойство организмов передавать потомству и воспроизводить родительские признаки в других поколениях. В сороковых годах XX века было установлено, что материальным носителем наследственной информации являются нуклеиновые кислоты, и в первую очередь дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Первые прямые доказательства роли ДНК как хранителя генетической информации получил О. Эвери в 1944 году в экспериментах с бактериями. ДНК локализована в хромосомах вирусов, нуклеоидах бактерий, ядрах эукариот, а также в некоторых цитоплазматических структурах (митохондриях, хлоропластах, плазмидах бактерий). В молекулах ДНК зашифрованы все признаки, присущие данному виду организмов. И только у РНК-содержащих вирусов первичным генетическим материалом являются РНК – рибонуклеиновые кислоты. ХОД РАБОТЫ: Задание 1: Изучить химическую структуру ДНК. Нуклеиновые кислоты – фосфорсодержащие биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Они были открыты в 1869 г. швейцарским биохимиком Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, сперматозоидов лосося. Впоследствии нуклеиновые кислоты обнаружили во всех растительных и животных клетках, вирусах, бактериях и грибах. В природе существует два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Различие в названиях объясняется тем, что молекула ДНК содержит пяти-углеродный сахар дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу. В настоящее время известно большое число разновидностей ДНК и РНК, отличающихся друг от друга по строению и значению в метаболизме. Структура молекулы ДНК была открыта в 1953 году Дж.Уотсоном и Ф.Криком. Молекула ДНК представляет собой полимер (полимерами химики называют длинные цепочки, состоящие и одинаковых или разных звеньев мономеров). Мономерами ДНК являются нуклеотиды (от латинского nucleus – ядро). Полесский государственный университет 255 Генетика с основами биометрии ес ГУ Каждый нуклеотид состоит из трех различных молекул: остатка фосфорной кислоты (фосфата), углевода (дезоксирибозы или рибозы) и самого важного звена – азотистого основания. Если посмотреть на химические формулы азотистых оснований, то можно увидеть, что аденин имеет сходное строение с гуанином (так называемые пуриновые азотистые основания или просто пурины). А цитозин – с тимином (пиримидиновые основания). В состав нуклеотидов молекулы ДНК входят четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями, которые образуются между фосфатной группой одного нуклеотида и З-гидроксильной группой пентозы другого. Такие связи называются фосфодиэфирными. Фосфатная группа образует мостик между З-углеродом одного пентозного цикла и 5-углеродом следующего. Остов цепей ДНК образован, таким образом, сахарофосфатными остатками (рис.1). П ол Рис 1. Фрагмент молекулы ДНК (между А—Т– две водородные связи; между Г—Ц – три водородные связи). Задание 2. Изучить пространственную структуру молекулы ДНК согласно модели Уотсона и Крика. Впервые модель молекулы ДНК была предложена в 1953 г. американским ученым Дж. Уотсоном и англичанином Ф. Криком. За разработку двухспиральной модели молекулы ДНК они были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии. Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из 2 антипараллельных цепочек, закрученных друг относительно друга. При этом любой аденин, расположенный на одной цепи, соединяется с противоположным ему тимином на другой цепочке, а гуанин – с цитозином. Такой принцип соединения двух цепочек ДНК получил название принципа комплементарности. По этой причине в любом образце ДНК молярное содержание тимина соответствует молярному содержанию аденина, а гуанина – цитозину (правило эквивалентности Чаргаффа). А соотношение пар А-Т и ГЦ имеет значительные колебания при сравнении образцов ДНК организмов разных видов. Полесский государственный университет 256 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Задание 3. Изучить строение и типы РНК в клетке. РНК. Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза, вместо тимидилового нуклеотида (Т) – уридиловый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутрицепочечном соединении комплементарных нуклеотидов. Цепочки РНК значительно короче ДНК. В клетке существует несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям: Информационная (матричная) РНК (иРНК). Этот вид наиболее разнороден по размерам и структуре. иРНК представляет собой незамкнутую полинуклеотидную цепь. Она синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы, комплементарна участку ДНК, на котором происходит ее синтез. Несмотря на относительно низкое содержание (3-5% РНК клетки), она выполняет важнейшую функцию в клетке: служит в качестве матрицы для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК. Каждый белок клетки кодируется специфической иРНК, поэтому число их типов в клетке соответствует числу видов белков. Рибосомная РНК (рРНК). Это одноцепочечные нуклеиновые кислоты, образующие в комплексе с белками рибосомы – органеллы, на которых происходит синтез белка. Рибосомные РНК синтезируются в ядре. Рибосомные РНК составляют 80% всей РНК клетки, поскольку в клетке имеется огромное количество рибосом. Транспортная (трансферная) РНК(тРНК). Молекула тРНК состоит в среднем из 80 нуклеотидов. Содержание тРНК в клетке – около 15% всей РНК. Функция тРНК – перенос аминокислот к месту синтеза белка. Число различных типов тРНК в клетке невелико (20-60). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечным водородным связям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, называемую клеверным листам. Задание 4. Задача 1: в молекуле ДНК содержится 31% аденина. Определите, сколько (в %) в этой молекуле содержится других нуклеотидов. Задача 2: укажите порядок нуклеотидов в цепочке ДНК, образующейся путем самокоприрования цепочки: ЦАЦЦГТАЦАГААТЦГЦТГАТ Задача 3: дана последовательность нуклеотидов молекулы ДНК: ТТЦЦГТАТАГГА. Найти: последовательность нуклеотидов и-РНК, число тРНК. Полесский государственный университет 257 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Задача 4: фрагмент одной из цепей ДНК имеет следующее строение: ГГЦТЦТАГЦТТЦ. Постройте на ней и-РНК и определите последовательность аминокислот во фрагменте молекулы белка (для этого используйте таблицу генетического кода). Полесский государственный университет 258 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 2 ТЕМА: Природа генетического материала вирусов, про- и эукариот (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить природу генетического материала вирусов, наследственные структуры прокариот и эукариот. ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Вирусы – это особая форма жизни, объединяющая организмы с неклеточным строением. Вирусы способны существовать в двух формах: вне клеток и внутри клеток. Вне клеток существуют свободные вирусы – вирионы. Вирионы не проявляют свойств биологических систем: у них отсутствует обмен веществ, и они неспособны к самовоспроизведению. Вирионы состоят из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую оболочку – капсид. П ол ес ХОД РАБОТЫ: Задание 1: Изучить механизм вирусной инфекции. Геном вирусов включает: – Структурные гены, которые кодируют белки. Занимают примерно 95 % вирусной хромосомы. Белки вирусов можно разделить на несколько групп: структурные, ферменты, регуляторы. – Регуляторные последовательности, которые не кодируют белки: промоторы, операторы и терминаторы. – Прочие некодирующие участки (сайты), в том числе: – участок attP, обеспечивающий интеграцию вирусной хромосомы в хромосому клетки–хозяина; – участки cos – липкие концевые участки линейных вирусных хромосом, обеспечивающие замыкание линейной хромосомы в кольцевую форму. Гены, кодирующие рРНК и тРНК, в геноме вирусов обычно отсутствуют. Однако в геноме крупного фага Т4 имеются гены, кодирующие несколько тРНК. Геном вирусов отличается высокой плотности упаковки информации. Например, у фага φХ174 в пределах одного гена может располагаться еще один ген. В частности, ген В находится в пределах гена А, а ген Е – в пределах гена D. У мелкого РНК-содержащего фага f2 ген регуляторного белка, блокирующего лизис (созревание вирионов и разрушение клетки), перекрывается с двумя другими генами, удаленными друг от друга. ДНК-содержащие вирусы. К ДНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы бактерий – бактериофаги (или просто фаги). Некоторые мелкие фаги (например, фаг М13) при репродукции не разрушают клетку. Полесский государственный университет 259 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Репродукция крупных фагов (например, фага Т–4) приводит к гибели клетки. Примеры организации генома ДНК-содержащих вирусов: 1. Кольцевая двухцепочечная ДНК длиной около 5 тпн. – Обезьяний вирус SV 40. Мелкий эукариотический вирус. Вирионы в виде икосаэдра. Капсид белковый. Используется в генной инженерии как вектор переноса генов. Кодирует 5 белков. – Вирусы бородавок человека. 2. Кольцевая одноцепочечная ДНК длиной около 5 тн; может быть как кодирующей, так и антикодирующей. – Мелкие бактериофаги типа М13. Не разрушают клетку. Капсид включает 8 белков. – Вирус золотистой мозаики фасоли. 3. Линейная двухцепочечная ДНК длиной 30-150 тпн. – Бактериофаги типа Т4. Вирионы крупные. Белковый капсид из 130 белков включает: головку, хвостовой отдел и хвостовые нити. Эти вирусы могут существовать в виде профага длительное время. – Аденовирусы млекопитающих и человека. Вирионы средних размеров в виде икосаэдра. Капсиды белковые. Вызывают ОРВИ, конъюнктивиты, желудочно-кишечные заболевания, иногда обладают онкогенными свойствами. – Вирусы оспы, герпеса и им подобные. Вирионы крупные. Имеется липопротеиновая оболочка. 4. Линейная одноцепочечная ДНК длиной около 5 тн; ДНК может быть как кодирующей, так и антикодирующей. У человека известны как спутники аденовирусов. 5. Двухцепочечная ДНК, замкнутая в кольцо из перекрывающихся сегментов. Длина ДНК – 3-8 тн. – Вирус гепатита В. Вирион сферический, средних размеров. Имеется дополнительная оболочка из вирусных и клеточных белков. Кодирует 5 белков. – Вирус мозаики цветной капусты (CaMV). Промотор 35S-RNA (CaMV35S) этого вируса широко используется в традиционной генной инженерии для создания генетических конструкций. К РНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы растений, возбудители заболеваний человека и животных: вирус полиомиелита, вирусы гриппа А, В и С, вирусы паротита (свинки), кори, чумы плотоядных животных (чумки), бешенства, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). В отдельную группу выделяются арбовирусы, которые переносятся членистоногими (клещами, москитами), например, вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки. Многие РНК-содержащие вирусы вызывают ОРВИ (например, коронавирусы), желудочно-кишечные заболевания (реовирусы птиц, Полесский государственный университет 260 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ млекопитающих и человека). Некоторые РНК-содержащие вирусы используются в биотехнологии, например, вирусы полиэдроза насекомых. Вирионы РНК-содержащих вирусов содержат РНК. После проникновения в клетку вирусная РНК становится матрицей для синтеза ДНК и РНК. ВИЧ – это вирус иммунодефицита человека, который вызывает тяжелое неизлечимое заболевание – синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). СПИД – это заболевание иммунной системы, которое проявляется в том, что безопасные для здорового человека микроорганизмы приобретают способность вызывать тяжелые инфекционные заболевания. Кроме того, СПИДу сопутствуют некоторые онкологические заболевания. В организме человека ВИЧ избирательно поражает строго определенный тип лимфоцитов – Т4-лимфоциты (Т-хелперы), отвечающие за распознавание чужеродных антигенов. У здорового человека титр (концентрация) Т4лимфоцитов составляет 800 клеток на 1 мл крови, но при заболевании СПИДом этот показатель снижается до 100. ВИЧ относится к ретровирусам. Его геном представлен линейной одноцепочечной молекулой РНК (это плюс–цепь, или мРНК). ВИЧ – это сложный вирус. В состав вириона входит нуклеокапсид (собственно вирион) и внешняя липопротеиновая оболочка. В состав нуклеокапсида входит РНК (две молекулы) и 13 вирусных белков, в том числе, и обратная транскриптаза (ревертаза). В состав липопротеиновой оболочки вириона входят фрагменты мембран погибших лимфоцитов, содержащие комплекс из двух особых белков: гликопротеидов gp41 и gp120. Белок gp120 распознает Т–лимфоциты, а белок gp41 «пробивает» мембрану Т–лимфоцита и обеспечивает проникновение нуклеокапсида в клетку. В инфицированной клетке на матрице вирусной РНК с помощью вирусной обратной транскриптазы синтезируется минус–цепь ДНК, а на ней – плюс–цепь ДНК. Вирусная РНК при этом разрушается. Образовавшаяся двухцепочечная ДНК встраивается в определенный участок одной из хромосом клетки хозяина. Интегрированная ДНК-копия вирусного генома представляет собой провирус. В таком состоянии ретровирус может долгое время сосуществовать с инфицированным организмом – вирусоносителем. Однако, получив определенные молекулярные сигналы, с провирусной ДНК инициируется транскрипция вирусной мРНК, а с нее – синтез вирусных белков. Затем происходит самосборка множества вирусных частиц и их выход из клетки. Клетка хозяина (лимфоцит) погибает, а часть ее мембран образует липопротеиновую оболочку вируса. Гибель Т-хелперов и приводит к развитию СПИДа. Задание 2: Изучить наследственные структуры прокариот и эукариот. Заполнить таблицу. Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: Полесский государственный университет 261 Генетика с основами биометрии предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты). П ол ес ГУ Таблица 1. – Сравнительная характеристика прокариот и эукариот Признаки Прокариоты Эукариоты Ядерная оболочка ДНК Хромосомы Митоз Мейоз Гаметы Митохондрии Пластиды у автотрофов Способ поглощения пищи Пищеварительные вакуоли Жгутики Полесский государственный университет 262 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 3 ТЕМА: Деление клетки и воспроизведение (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить механизмы размножения митоз и мейоз. ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Промежуток жизни клетки от ее образования до деления на две дочерние называют клеточным циклом. У разных организмов и в разных тканях продолжительность клеточных циклов различна. Клеточный цикл соматических клеток высших растений и животных можно разделить на две стадии: митоз и интерфазу. Под интерфазой понимают период клеточного цикла между концом одного деления и началом следующего, т.е. между двумя последовательными митозами. Интерфазу принято разделять на три периода: G1 -пресинтетический, S – синтез ДНК и G2 – постсинтетический. П ол ес ХОД РАБОТЫ: Задание 1: Изучить механизмы размножения – митоз и мейоз. Нарисовать схему митоза, мейоза I и мейоза II. По морфологии ядра и хромосом, наблюдаемой в световой микроскоп, митоз можно разделить на четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Профаза. На этой стадии происходит спирализация и конденсация хромосом. В начале профазы они выглядят под микроскопом как тонкие, длинные нити, а к концу - укорачиваются и утолщаются. К этому времени становится очевидно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. В конце профазы начинается разрушение ядерной мембраны, и с окончанием профазы она полностью исчезает, завершается формирование веретена деления. Метафаза. Во время метафазы центромеры располагаются в экваториальной плоскости клетки, перпендикулярной оси веретена. Плечи хромосом находятся по сторонам этой плоскости, не имея относительно нее какой-либо особой ориентации. Анафаза. Эта короткая стадия начинается с расщепления центромер; хромати-ды перестают удерживаться вместе и становятся самостоятельными хромосомами. Разделившиеся центромеры с помощью нитей веретена расходятся к противоположным полюсам и увлекают за собой плечи хромосом. Телофаза. Идентичные наборы хромосом оказываются у противоположных полюсов клетки. Постепенно хромосомы деспирализуются, удлиняются и приобретают вид интерфазного хроматина. Веретено деления исчезает, формируется ядерная мембрана. Затем делится цитоплазма, и Полесский государственный университет 263 Генетика с основами биометрии ГУ образуются две клетки. ес Рис. 1. Схема митоза П ол Гаплоидные клетки образуются из диплоидных в результате особого клеточного деления – мейоза. Мейоз – разновидность митоза, в результате которого из диплоидных (2п) соматических клеток половых желез образуются гаплоидные гаметы (1n). При оплодотворении ядра гаметы сливаются, и восстанавливается диплоидный набор хромосом. Таким образом, мейоз обеспечивает сохранение постоянного для каждого вида набора хромосом и количества ДНК. В метафазе мейоза I биваленты хромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки. В этот момент спирализация их достигает максимума. Содержание генетического материала не изменяется (2п2хр). В анафазе мейоза I гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, окончательно отходят друг от друга и расходятся к полюсам клетки. Следовательно, из каждой пары гомологичных хромосом в дочернюю клетку попадает только одна – число хромосом уменьшается вдвое (происходит редукция). Содержание генетического материала становится 1n2хр у каждого полюса. В телофазе происходит формирование ядер и разделение цитоплазмы – образуются две дочерние клетки. Дочерние клетки содержат гаплоидный набор хромосом, каждая хромосома – две хроматиды (1n2хр). Интеркинез – короткий промежуток между первым и вторым мейотическими делениями. В это время не происходит репликации ДНК, и две дочерние клетки быстро вступают в мейоз II, протекающий по типу митоза. Полесский государственный университет 264 ГУ Генетика с основами биометрии ес Рис. 2. Схема мейоза (показана одна пара гомологичных хромосом). Мейоз I: 1, 2, 3, 4, 5 – профаза; 6 – метафаза; 7 – анафаза; 8 – телофаза; 9 – интеркинез. Мейоз II; 10 – метафаза; II – анафаза; 12 – дочерние клетки П ол В профазе мейоза II происходят тс же процессы, что и в профазе митоза. В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. Изменений содержания генетического материала не происходит (1n2хр). В анафазе мейоза II хроматиды каждой хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки, и содержание генетического метериала у каждого полюса становится lnlxp. В телофазе образуются 4 гаплоидные клетки (lnlxp). Таким образом, в результате мейоза из одной диплоидной материнской клетки образуются 4 клетки с гаплоидным набором хромосом. Кроме того, в профазе мейоза I происходит перекомбинация генетического материала (кроссинговер), а в анафазе I и II – случайное отхождение хромосом и хроматид к одному или другому полюсу. Эти процессы являются причиной комбинативной изменчивости. Полесский государственный университет 265 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 4 ТЕМА: Моногибридное скрещивание (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить закономерности наследования признаков при моногибридном скрещивании. Решение задач. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Моногибридное скрещивание – это скрещивание особей, различающихся одной парой аллельных генов (А, а) или одной парой альтернативных признаков. Аллельные гены – это различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках, или локусах, гомологичных хромосом. Аллели определяют варианты развития одного и того же признака. Распространенные в природе аллели, обуславливающие характерные для вида признаки, называются аллелями дикого типа, а происходящие от них аллели с измененной структурой гена – мутантными. В нормальной диплоидной клетке может присутствовать не более двух аллелей одного локуса одновременно. В одной гамете находится один аллель. Гомозиготой называется особь, у которой аллельные гены, определяющие данный признак, идентичны, например АА, аа. Гетерозиготой называется особь, в клетках которой находятся разные аллели данного гена, например Аа. Анализирующее скрещивание – это скрещивание особи с неизвестным генотипом, у которой проявляется доминантный фенотип по одному или более генам, с особью тестерной линии, которая несет известные рецессивные аллел генов. Например, желтый горох может иметь генотип или АА, или Аа. Фенотипически, в случае полного доминирования, доминантная гомозиготная особь и гетерозигота не различаются. Для определения генотипа в этом случае проводят скрещивание анализируемой особи с рецессивной гомозиготой, поскольку рецессивный ген позволяет проявиться как доминантному гену, так и рецессивному, если тестируемая особь гетерозиготна: Р: Аа × аа желтый G: зеленый А а а Fa: Аа желтый аа зеленый Расщепление по фенотипу 1:1 Расщепление по генотипу 1:1 Полесский государственный университет 266 Генетика с основами биометрии При анализирующем скрещивании расщепление по фенотипу и генотипу совпадают, т.е. количество фенотипических классов соответствует количеству генотипических классов. Доминантный признак не всегда полностью подавляет рецессивный, поэтому возможно появление промежуточных признаков у гибридов. Это явление получило название неполное доминирование. Во втором поколении расщепление по фенотипу и генотипу совпадает и равно 1:2:1. Так, например, при скрещивании двух чистых линий ночной красавицы с красными и белыми цветками первое поколение гибридов оказывается розовым. Происходит неполное доминирование признака окраски, и красный цвет лишь частично подавляет белый. П ол ес ГУ ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Научиться решать задачи по наследованию признаков при полном доминировании. Задача 1. У человека ген длинных ресниц доминирует над геном коротких ресниц. Женщина с длинными ресницами, у отца которой ресницы были короткими, вышла замуж за мужчину с короткими ресницами. Выясните: 1) Сколько типов гамет образуется у женщины? 2) Сколько типов гамет образуется у мужчины? 3) Какова вероятность рождения в данной семье ребенка с длинными ресницами? 4) Сколько разных генотипов может быть у детей в этой семье? 5) Сколько разных фенотипов может быть у детей в этой семье? Задача 2. Ген диабета рецессивен по отношению к гену нормального состояния. У здоровых супругов родился ребенок, больной диабетом. Определите: 1) Сколько типов гамет может образоваться у отца? 2) Сколько типов гамет может образоваться у матери? 3) Какова вероятность рождения здорового ребенка в данной семье? 4) Сколько разных генотипов может быть у детей в этой семье? 5) Какова вероятность того, что второй ребенок родится больным? Задача 3. У человека ген полидактилии (многопалости) доминирует над нормальным строением кисти. У жены кисть нормальная, муж гетерозиготен по гену полидактилии. Определите вероятность рождения в этой семье многопалого ребенка. Задача 4. При скрещивании черной самки кролика с белым самцом в первом поколении получили потомство черного цвета. Составьте схему данного скрещивания и определите: 1) Какая окраска шерсти у кроликов доминирует? 2) Каковы генотипы родителей и гибридов первого поколения по Полесский государственный университет 267 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ признаку окраски шерсти? 3) Какие генетические закономерности проявляются при такой гибридизации? Задача 5. Равномерная окраска арбузов наследуется как рецессивный признак. Какое потомство получится от скрещивания двух гетерозиготных растений с полосатыми плодами? Задача 6. У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен по отношению к гену нормального слуха. От брака глухонемой женщины с нормальным мужчиной родился глухонемой ребенок. Определить генотипы всех членов семьи. Задача 7. У морских свинок ген мохнатой шерсти (R) доминирует над геном гладкой шерсти (r). Мохнатая свинка при скрещивании с гладкой дала 18 мохнатых и 20 гладких потомков. Каков генотип родителей и потомства? Могли бы у этих свинок родиться только гладкие особи? Задание 2. Научиться решать задачи по наследованию признаков при неполном доминировании. Задача 1. У человека проявляется заболевание – серповидно-клеточная анемия. Эта болезнь выражается в том, что эритроциты крови имеют не круглую форму, а серповидную, в результате чего транспортируется меньше кислорода. Серповидно-клеточная анемия наследуется как неполностью доминантный признак, причѐм гомозиготное состояние гена приводит к гибели организма в детском возрасте. В семье оба супруга имеют признаки анемии. Какова процентная вероятность рождения у них здорового ребѐнка? Задача 2. Анофтальмия (отсутствие глазных яблок) – это наследственное заболевание, за развитие которого отвечает рецессивный ген. Аллельный, не полностью доминантный ген обусловливает нормальный размер глаз. У гетерозигот размер глазных яблок несколько уменьшен. Если женщина с уменьшенным размером глазных яблок выйдет замуж за мужчину с нормальной величиной глаз, то как будут выглядеть их дети? Полесский государственный университет 268 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 5 ТЕМА: Анализ наследования признаков по родословным (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: научиться анализировать наследование признаков по родословным. ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Составление родословной начинается с пробанда – лица, обратившегося к врачу. Чаще всего пробандом является больной или носитель изучаемого признака. При составлении родословных используются специальные символы (рис.1). Рис. 1. Символы, используемые при составлении графических изображений родословных. ес 1 — особь мужского пола, не имеющая изучаемого признака 2 — особь женского пола, не имеющая изучаемого признака 3 — пол неизвестен 4 — брак мужчины и женщины 5 — близкородственный брак 6 — дети одной родительской пары (сибсы) 7 — монозиготные близнецы женского или мужского пола П ол 8 — особь мужского пола, имеющая изучаемый признак, 9 — дизиготные близнецы одного или разного пола, 10—выкидыш 11— аборт, 12 — мертворожденный, 13 — бездетный брак 14 - гетерозиготная носительница рецессивного аллеля Х-хромосомы (гетерозиготность устанавливается при анализе родословной) 15 — рано умершие 16 — пробанд 17 — особь женского пола, имеющая изучаемый признак У людей известны следующие основные типы наследования: 1) аутосомно-доминантное наследование; 2) аутосомно-рецессивное наследование; 3) доминантное сцепленное с Х-хромосомой наследование; 4) рецессивное сцепленное с Х-хромосомой наследование; 5) сцепленное с Y-хромосомой, или голандрическое, наследование; 6) частично сцепленное с полом наследование: аллели изучаемого гена находятся в гомологичных друг другу участках Х-хромосомы и Y-хромосомы; 7) цитоплазматическое наследование: изучаемые гены находятся в ДНК митохондрий; 8) аутосомное наследование, зависимое от пола: аутосомные гены поразному проявляются в фенотипе у женщин и мужчин; 9) аутосомное наследование, ограниченное полом: изучаемый признак формируется только у особей одного пола. Полесский государственный университет 269 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Для успешного определения типа наследования в конкретной родословной, необходимо знать характерные особенности, которыми обладает родословная каждого из основных типов наследования. Эти особенности обусловлены расположением генов в хромосомах и особенностями взаимодействия между их аллелями. Существуют следующие критерии основных типов ядерного наследования. А) Аутосомно-рецессивное наследование: 1)признак встречается относительно редко, не в каждом поколении; 2)если признак имеется у обоих родителей, то этот признак имеют все их дети; 3)признак встречается и у детей, родители которых не имеют изучаемого признака; 4)мужчины и женщины с изучаемым признаком встречаются с приблизительно одинаковой частотой. Б) Аутосомно-доминантное наследование: 1)признак встречается часто, в каждом поколении; 2)признак встречается у детей, у которых хотя бы один из родителей имеет изучаемый признак; 3) мужчины и женщины с изучаемым признаком встречаются с приблизительно одинаковой частотой. В) Сцепленное с Y-хромосомой, или голандрическое, наследование: 1) признак встречается часто, в каждом поколении; 2) признак встречается только у мужчин; 3) признак передается по мужской линии: от отца к сыну и т.д. Г) Рецессивное сцепленное с Х-хромосомой наследование: 1) признак встречается относительно редко, не в каждом поколении; 2) признак встречается преимущественно у мужчин, причем у их отцов признак обычно отсутствует, но имеется у дедов (прадедов) по материнской линии; 3) у женщин признак встречается только тогда, когда он имеется и у их отца. Д) Доминантное сцепленное с Х-хромосомой наследование: 1)признак встречается часто, в каждом поколении; 2)признак встречается у детей, у которых хотя бы один из родителей имеет изучаемый признак; 3)признак встречается и у мужчин, и у женщин, но женщин с таким признаком приблизительно в два раза больше, чем мужчин; 4) если изучаемый признак имеет мужчина, то все его дочери будут иметь этот признак, а у всех его сыновей этот признак будет отсутствовать. Полесский государственный университет 270 Генетика с основами биометрии ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Болезнь наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Пробанд болен, и его родословная имеет следующий вид: ГУ Жена пробанда здорова и не содержит в своем генотипе патологических аллелей. Чему равна вероятность рождения у пробанда здорового ребенка? П ол A. ес Задание 2. Определите тип наследования, генотип пробанда в следующих родословных. B. C. D. Полесский государственный университет 271 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 6 ТЕМА: Дигибридное и тригибридное скрещивание (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить закономерности наследования признаков при ди- и тригибридном скрещивании. Решение задач. ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: При дигибридном скрещивании, т.е. скрещивании родительских особей, отличающихся по двум парам признаков, во втором поколении увеличивается количества классов особей и изменяется характер расщепления. Это обусловлено наличием двух пар генов, локализованных в разных парах хромосом. Эти гены наследуются независимо друг от друга и распределяются в гаметах случайно. Отсюда у особи образуется четыре типа гамет с равной вероятностью. Задачи по дигибридному скрещиванию удобно решать с применением формулы расщепления по фенотипу во втором поколении дигибридного скрещивания: 9А_В_ : 3А_bb : 3ааВ_ : 1ааbb, П ол полученной, с использованием фенотипического радикала. Так же, как и в случае дигибридного скрещивания, решение задач по выяснению фенотипов и определению вероятности рождения потомков с теми или иными признаками можно значительно облегчить, если последовательно рассматривать наследование каждого отдельного признака, абстрагировавшись от остальных. Кроме того, при решении задач на полигибридное скрещивание часто применяют математические методы анализа, например закон сочетания двух и более независимых явлений. ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Решить задачи. Задача 1. Скрестили гомозиготного петуха, имеющего гребень С, и голые ноги d, с дигетерозиготной курицей с гребнем и оперѐнными ногами. Определите генотипы родителей, генотипы и фенотипы гибридов первого поколения, вероятность появления потомков с признаками родителей. Задача 2. У малины красные плоды и колючий стебель — это доминантные признаки. А желтые плоды и гладкий стебель — рецессивные. В результате скрещивания гетерозиготных по обеим признакам растений с растениями, имеющими жѐлтые плоды и гладкий стебель получено 100 потомков. Сколько из них будет иметь жѐлтые плоды и колючий стебель? Задача 3. При скрещивании растений львиного зева с красными пилорическими (правильными) цветками с растениями, имеющими жѐлтые Полесский государственный университет 272 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ зигоморфные (неправильные) цветки, в F1 все растения имели розовые зигоморфные цветки. От скрещивания гибридов F1 с растениями, имевшими жѐлтые пилорические цветки, получили 39 растений с розовыми зигоморфными цветками, 44 с розовыми пилорическими, 42 с жѐлтыми зигоморфными и 40 с жѐлтыми пилорическими цветками. Почему среди потомков не появились растения с красными цветками? Какое скрещивание следует поставить, чтобы получить такие растения? Задача 4. У нормальных родителей родился глухонемой ребѐнокальбинос. Определить генотипы родителей, если известно, что глухонемота и альбинизм являются рецессивными признаками. Задача 5. У крупного рогатого скота ген безрогости доминирует над геном рогатости, ген черной масти над геном красной масти. Скрестили гетерозиготного по обоим генам быка с такой же коровою. Какова вероятность рождения безрогих красных телят? Задача 6. У голубоглазого темноволосого отца и кареглазой светловолосой матери 4 детей. Каждый ребѐнок отличается от другого по одному из данных признаков. Назвать генотипы родителей и детей, учитывая, что тѐмные волосы и тѐмные глаза являются доминантными признаками. Задача 7. У земляники красная окраска ягод не полностью доминирует над белой, а нормальная чашечка- над листовой.У дигетерозиготы ягоды розовые с промежуточной чашечкой. Определите генотипы родителей и проанализируйте скрещивание, если в F2 получено 9 фенотипических классов в соотношении 4:2:2:2:2:1:1:1:1. Задача 8. Организм имеет генотип АаВbССddEE. Написать типы гамет, которые он образует, учитывая то, что каждая пара генов расположена в разных парах гомологичных хромосом. Задача 9. У собак короткошерстность (L) доминирует над длинношерстностью (l), черная окраска (В) – над коричневой (b), отвислое ухо (Н) – над стоячим (h). Определить, сколько гамет и каких типов образует: 1. короткошерстный черный кобель с отвислыми ушами, гетерозиготный по цвету и длине шерсти и гомозиготный по висячести ушей; 2. гетерозиготная по всем признакам сука. Задача 10. Короткопалость, близорукость и альбинизм кодируются рецессивными генами, расположенными в разных хромосомах. Короткопалый, близорукий мужчина с нормальной пигментацией женился на здоровой женщине-альбиноске. Их первый ребенок был короткопал, второй – близорук, третий – альбинос. Определить генотипы родителей и детей. Задача 11. Карий цвет глаз, темные волосы и владение правой рукой – доминантные признаки, которые наследуются независимо. Отец – кареглазый темноволосый левша, мать – голубоглазая светловолосая правша. В семье имеются: сын – голубоглазый светловолосый левша, и дочь – кареглазая темноволосая правша. Определить генотипы всех членов семьи. Полесский государственный университет 273 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 7 ТЕМА: Взаимодействие неаллельных генов (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить типы неаллельного взаимодействия генов и научиться решать задачи, определять тип взаимодействия генов. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Неаллельные гены – это гены, расположенные в различных участках хромосом и кодирующие неодинаковые белки. Неаллельные гены также могут взаимодействовать между собой. При этом либо один ген обусловливает развитие нескольких признаков, либо, наоборот, один признак проявляется под действием совокупности нескольких генов. Выделяют три формы и взаимодействия неаллельных генов: комплементарность; эпистаз; полимерия. Комплементарное (дополнительное) действие генов – это вид взаимодействия неаллельных генов, доминантные аллели которых при совместном сочетании в генотипе обусловливают новое фенотипическое проявление признаков. При этом расщепление гибридов F2 по фенотипу может происходить в соотношениях 9:6:1, 9:3:4, 9:7, иногда 9:3:3:1. Примером комплементарности является наследование формы плода тыквы. Наличие в генотипе доминантных генов А или В обусловливает сферическую форму плодов, а рецессивных – удлинѐнную. При наличии в генотипе одновременно доминантных генов А и В форма плода будет дисковидной. При скрещивании чистых линий с сортами, имеющими сферическую форму плодов, в первом гибридном поколении F1 все плоды будут иметь дисковидную форму, а в поколении F2 произойдѐт расщепление по фенотипу: из каждых 16 растений 9 будут иметь дисковидные плоды, 6 – сферические и 1 – удлинѐнные. Подавление (ингибирование) действия одной аллельной пары генов геном другой, не аллельной им пары, называется эпистазом. Различают доминантный и рецессивный эпистаз. Если обычное аллельное доминирование можно представить в виде формулы А>а, То явление эпистаза выразится формулой А>В (доминантный эпистаз) или А>В (рецессивный эпистаз), когда доминантный или рецессивный ген одной аллельной пары не допускает проявления генов другой аллельной пары. Гены, подавляющие действие других, не аллельных им генов, называются эпистатичными, а подавляемые – гипостатичными. Эпистатическое взаимодействие генов по своему характеру противоположно Полесский государственный университет 274 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ комплементарному взаимодействию. При эпистазе фермент, образующийся под контролем одного гена, полностью подавляет или нейтрализует действие фермента, контролируемого другим геном. Разберем эпистатическое действие генов на примере наследования окраски зерна у овса. У этой культуры были установлены доминантные гены, определяющие черную и серую окраску зерна. Обозначим один из них буквой А, А второй – В. При этом можно представить себе скрещивание, в котором родительские формы имели генотипы AAbb (черносемянный) и АаВВ (серосемянный). В генотипе растения первого поколения (АаВB) Содержатся доминантные гены и черной окраски А, И серой окраски В. Так как ген А Эпистатичен по отношению к гену В, Он не дает ему проявиться, и все гибриды F1 Будут черносемянными. В F1 Произойдет расщепление в отношении 12 черных : 3 серых: 1 белый. Такой результат расщепления легко понять, если представить себе отношение 12:3:1 как видоизменение типичного для дигибридных скрещиваний отношения 9:3:3:1. В девяти сочетаниях присутствуют оба доминантных гена А и В, Но ген серой окраски В не может проявляться, и они дают черносемянные растения. В трех сочетаниях (AAbbAabb, Aabb) ген черной окраски семян А также обусловит развитие черносемянных растений. Эта группа по фенотипу будет совершенно сходна с первой, и, следовательно, из каждых 16 растений 12 будут черносемянными. В трех сочетаниях (ааВВ, ааВB, ааВB) доминантный ген В при отсутствии эпистатичного гена А может проявить доминантное действие по отношению к своему рецессивному аллелю b, и разовьются растения с серыми семенами. Один генотип (Aabb) Представляет собой новую комбинацию, в которой проявится белая окраска зерна, так как отсутствуют оба доминантных гена. Полимерия – взаимодействие неаллельных множественных генов, однонаправленно влияющих на развитие одного и того же признака; степень проявления признака зависит от количества генов. Полимерные гены обозначаются одинаковыми буквами, а аллели одного локуса имеют одинаковый нижний индекс. Полимерное взаимодействие неаллельных генов может быть кумулятивным и некумулятивным. При кумулятивной (накопительной) полимерии степень проявления признака зависит от суммарного действия нескольких генов. Чем больше доминантных аллелей генов, тем сильнее выражен тот или иной признак. Расщепление в F2 по фенотипу при дигибридном скрещивании происходит в соотношении 1:4:6:4:1, а в целом соответствует третьей, пятой (при дигибридном скрещивании), седьмой (при тригибридном скрещивании) и т.п. строчкам в треугольнике Паскаля. При некумулятивной полимерии признак проявляется при наличии хотя бы одного из доминантных аллелей полимерных генов. Количество доминантных аллелей не влияет на степень выраженности признака. Полесский государственный университет 275 Генетика с основами биометрии Расщепление в F2 по фенотипу при дигибридном скрещивании – 15:1. Пример полимерии – наследование цвета кожи у людей, который зависит (в первом приближении) от четырѐх генов с кумулятивным эффектом. П ол ес ГУ ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Решить задачи на комплементарный тип взаимодействия неаллельных генов. Задача 1. У душистого горошка окраска цветов проявляется только при наличии двух доминантных генов А и В. Если в генотипе имеется только один доминантный ген, то окраска не развивается. Какое потомство F 1 и F2 получится от скрещивания растений с генотипами ААbb и ааВВ? Задача 2. При скрещивании двух растений тыквы со сферической формой плодов получено потомство, имеющее только дисковидные плоды. При скрещивании этих гибридов между собой были получены растения с тремя типами плодов: 9 частей – с дисковидными плодами, 6 частей – со сферической формой плодов, 1 часть – с удлиненными плодами. Какая закономерность наблюдается в данном случае? Каковы генотипы родителей и потомства? Задача 3. У норки известно два рецессивных гена – р и i, гомозиготность по каждому из которых, или по обоим одновременно, обуславливает платиновую окраску меха. Дикая коричневая окраска получается при наличии обоих доминантных аллелей Р и I. При каком типе скрещивания двух платиновых норок все их потомство будет коричневым? Задача 4. При скрещивании двух карликовых растений кукурузы получено потомство нормальной высоты. В F2 от скрещивания потомства первого поколения было 452 растения нормальной высоты и 352 – карликовых. Предложите гипотезу, объясняющую эти результаты. Задача 5. Собаки породы кокер-спаниель при генотипе А*В* имеют черную масть, при генотипе А*bb – рыжую, при генотипе ааВ* – коричневую, а при генотипе ааbb – светло-желтую. При скрещивании черного кокерспаниеля со светло-желтым родился светло-желтый щенок. Какое соотношение по масти следует ожидать от спаривания того же черного спаниеля с собакой одинакового с ним генотипа? Задача 6. От скрещивания белых и серых мышей в потомстве F1 все особи были черными, а в F2 было 77 черных, 37 серых и 45 белых мышей. Как наследуется окраска у этих мышей? Определить генотипы родителей и потомков. Задание 2. Решить задачи на тип взаимодействия неаллельных генов – эпистаз и полимерию. Полесский государственный университет 276 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Задача 1. При скрещивании растений одного из сортов тыквы с белыми и желтыми плодами все потомство F1 имело белые плоды. При скрещивании этого потомства между собой в их потомстве F2 было получено: 204 растения с белыми плодами, 53 растения с желтыми плодами, 17 растений с зелеными плодами. Определить возможные генотипы родителей и потомства. Задача 2. У кур породы леггорн окраска перьев обусловлена наличием доминантного гена С. Если он находится в рецессивном состоянии, то окраска не развивается. На действие этого гена оказывает влияние ген I, который в доминантном состоянии подавляет развитие признака, контролируемого геном С. Определить вероятность рождения окрашенного цыпленка от скрещивания кур с генотипомССIi и ссIi. Задача 3. У лошадей действие генов вороной (С) и рыжей масти (с) проявляется только в отсутствие доминантного гена D. Если он присутствует, то окраска белая. Какое потомство получится при скрещивании между собой белых лошадей с генотипом CcDd? Задача 4. Свиньи бывают черной, белой и красной окраски. Белые свиньи несут минимум один доминантный ген I. Черные свиньи имеют доминантный ген Е и гомозиготны по рецессивной аллели i. Красные поросята (eeii) лишены доминантного гена-подавителя I и доминантного гена, определяющего черную окраску. Какое потомство можно ожидать от скрещивания черной гомозиготной свиньи и красного кабана? Задача 5. Степень пигментации кожи определяется двумя парами (на самом деле – большим количеством) генов. В соответствии с этим по данному признаку людей можно условно разделить на 5 фенотипов: негры (ААВВ), темные мулаты (ААВb или АаВВ), средние мулаты (АаВb, ааВВ или ААbb), светлые мулаты (Ааbb или ааВb) и белые (ааbb). Сын белой женщины и негра женится на белой женщине. Может ли ребенок от этого брака быть темнее своего отца? Какой фенотип потомства будет: 1. от брака негра и светлой мулатки; 2. от брака белого и темной мулатки? Задача 6. От брака среднего мулата и светлой мулатки родилось много детей, среди которых оказалось по 3/8 средних и светлых мулатов и по 1/8 – темных мулатов и белых. Каковы возможные генотипы родителей? Задача 7. Может ли у одной пары родителей родиться двое детейблизнецов, один из которых белый, а другой – негр? Полесский государственный университет 277 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 8 ТЕМА: Наследование признаков, сцепленных с полом (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить наследование признаков, сцепленных с полом, а также сцепленное с полом наследование при гетерогаметности мужского пола и гетерогаметности женского пола; научиться решать задачи. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Пол - совокупность признаков, по которым производится специфическое разделение особей или клеток, основанное на морфологических и физиологических особенностях, позволяющее осуществлять в процессе полового размножения комбинирование в потомках наследственных задатков родителей. Начало изучению генотипического определения пола было положено открытием американскими цитологами у насекомых различия в форме, а иногда и в числе хромосом у особей разного пола и классическими опытами немецкого генетика Корренса по скрещиванию однодомного и двудомного видов брионии. Уилсон обнаружил, что у клопа Lydaeus turucus самки имеют 7 пар хромосом, у самцов же 6 пар одинаковых с самкой хромосом, а в седьмой паре одна хромосома такая же, как соответствующая хромосома самки, а другая маленькая. Пара хромосом, которые у самца и самки разные, получила название идио, или гетерохромосомы, или половые хромосомы. У самки две одинаковые половые хромосомы, обозначаемые как Х-хромосомы, у самца одна Х-хромосома, другая - Y-хромосома. Остальные хромосомы одинаковые у самца и у самки, были названы аутосомами. Таким образом, хромосомная формула у самки названного клопа запишется 12A + XX, у самца 12A + XY. У ряда других организмов, хотя и существует в принципе тот же аппарат для определения пола, однако гетерозиготны в отношении реализаторов пола не мужские, а женские организмы. Таблица 1. Хромосомное определение пола Генотипы Объект ♀ ♂ XX XO Клопы, кузнечики ХХ ХУ У большинства организмов, млекопитающих, насекомых, многих растений, человека ХУ ХХ Птицы, бабочки, рептилии, земноводные, некоторые виды растений ХО ХХ Некоторые виды насекомых (моль) Полесский государственный университет 278 Генетика с основами биометрии У некоторых животных определение пола зависит от внешних условий, например у морского червя Bonellia или рыбы Labroides dimidiatus (губандоктор). П ол ес ГУ ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Решите следующие задачи: Задача 1. У плодовой мухи дрозофилы желтый цвет тела обусловлен рецессивным геном, расположенным в Х-хромосоме. От скрещивания пары мух фенотипически дикого типа (серого цвета) в потомстве оказалось несколько желтых самцов. Напишите схему скрещивания и объясните полученные результаты. Задача 2. От скрещивания двух зеленых канареек был получен птенец – коричневая самка. Известно, что коричневая окраска канареек зависит от рецессивного сцепленного с полом гена. Определите вероятность появления коричневого самца от такого скрещивания. Задача 3. У человека недостаток фосфора в крови, вызывающий специфическую форму рахита, зависит от доминантного гена (А), сцепленного с полом, а близорукость — от доминантного аутосомного гена (В). Здоровая женщина, гетерозиготная по гену близорукости, вступает в брак с мужчиной, который страдает рахитом, но имеет нормальное зрение. Оцените вероятность рождения ребенка без этих недостатков. Задача 4. Серебристую курицу из породы виандот скрестили с золотистым (коричневым) петухом породы леггорн. Определите численное соотношение расщепления гибридов по генотипу и фенотипу (по полу и окраске птиц). Ген серебристой окраски доминирует над геном золотистой окраски и находится в Х-хромосоме. Генетическая формула определения пола у птиц иная, чем у млекопитающих: у курицы — ХУ, у петуха ХХ. Задача 5. У кур гены, влияющие на окраску оперения, локализованы в Ххромосоме. У одной из пород кур ген серебристого оперения (А) доминирует над геном золотистого оперения (а). С каким генотипом следует подбирать кур и петухов, чтобы определять пол цыплят по оперению? Задача 6. У кур встречается сцепленный с полом летальный ген (Хa), вызывающий гибель эмбрионов, гетерозиготы по этому гену жизнеспособны. При скрещивании гетерозиготного по этому признаку самца с самкой появилось потомство (у птиц гетерогаметный пол — женский). Составьте схему скрещивания и определите генотипы родителей, возможного потомства и соотношение по полу выживших цыплят. Задача 7. При скрещивании белых кур с полосатыми петухами получили полосатых петушков и курочек. При скрещивании этого потомства между собой в F2 получено: 303 полосатых петушка и 306 полосатых и белых курочек. Объясните результаты . Сколько белых курочек было в F2? Задача 8. Составьте схему, иллюстрирующую текст, приведенный ниже, Полесский государственный университет 279 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ показав генотипы и характер наследования дальтонизма. Если женщина, страдающая цветовой слепотой, выходит замуж за мужчину с нормальным зрением, то у их детей наблюдается очень своеобразная картина перекрестного наследования: все дочери от такого брака получат признак отца, то есть они имеют нормальное зрение, а все сыновья, получая признак матери, страдают цветовой слепотой (d — дальтонизм, сцепленный с Х-хромосомой). В том же случае, когда наоборот, отец является дальтоником, а мать имеет нормальное зрение, все дети оказываются нормальными. В отдельных браках, где мать и отец обладают нормальным зрением половина сыновей может оказаться пораженными цветовой слепотой. В основном наличие цветовой слепоты чаще встречается у мужчин. Полесский государственный университет 280 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 9 ТЕМА: Сцепление генов и кроссинговер (6 часов) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научиться определять характер наследования признака (сцепленное или независимое наследование); определять фенотип и генотип потомства при сцеплении генов, частоту кроссинговера; составление генетических карт; расчет интерференции и коинцинденции. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Во всех рассмотренных случаях взаимодействия генов, обусловливающих отклонение от установленных Г. Менделем соотношений при расщеплении по генотипу и фенотипу, шла речь о генах, локализованных в разных хромосомах. Вместе с тем известно много случаев, когда отклонение от менделевских чисел при расщеплении связано с действием генов, лежащих в одной хромосоме. Это явление сцепления генов, впервые описанное У. Бэтсоном, и Р. Пѐннетом в 1906 г. Изучая расщепление по двум генам у душистого горошка, они установили тенденцию этих генов наследоваться вместе и не расщепляться в соотношениях, обусловленных правилами Г. Менделя. Совместное наследование изучавшихся генов наблюдалось и в ряде последующих поколений. В итоге при расщеплении в F2 преобладали растения с таким сочетанием этих генов, каким оно было у родительских организмов, а число рекомбинантных растений было значительно меньшим, чем следовало ожидать в соответствии с правилами Г. Менделя. При обозначении родительских генотипов как ААВВ и аавв, в F2 вместо ожидаемого расщепления и образования четырех фенотипических классов в соотношении 9:3:3:1 и девяти генотипов – ААВВ, ААВв, АаВВ, АаВв, ААвв, ааВВ, ааВв и аавв у душистого горошка наблюдалось преобладание генотипов ААВВ и аавв и очень малое число остальных генотипов, что проявлялось фенотипически расщеплением на два класса в соотношении, близком к 3:1. Группы сцепления. Явление сцепленного наследования получило разъяснение в результате исследований группы американских генетиков во главе с Т. X. Морганом, создавших основы хромосомной теории наследственности. Установлено наличие у плодовой мухи дрозофилы четырех пар гомологичных хромосом и четырех групп совместно наследуемых признаков. Такой параллелизм дал основание для вывода о локализации генов в хромосомах и совместном наследовании всех генов, лежащих в одной хромосоме и принадлежащих к одной группе сцепления, в последствии наличие групп сцепления генов установлено у всех генетически изучавшихся организмов. Число групп сцепления у организмов равно числу пар хромосом и Полесский государственный университет 281 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ соответственно числу хромосом в гаплоидном наборе. У дрозофилы их 4, у кукурузы – 10, у томата – 12, у человека – 23. Для менее генетически изученных видов пока известны не все гены, и число групп сцепления у них пока меньше числа пар хромосом. Для мышей, имеющих 20 пар хромосом, известно пока 19 групп сцепления, у кролика – всего 11 групп сцепления при наличии 22 пар хромосом. У вирусов, бактерий и водорослей, хромосомный аппарат которых устроен проще и состоит из одной хромосомы, все гены принадлежат к одной группе сцепления. Кроссинговер. В основе этого явления лежит процесс кроссинговера (перекреста) гомологичных хромосом в процессе мейоза и обмен участками между этими хромосомами. Схематически этот процесс можно представить так: в ходе мейоза при конъюгации и перекресте две гомологичные хромосомы разрываются в точке контакта, в результате чего происходит перекомбинация их участков в новых сочетаниях и образование двух новых хромосом, несущих участки каждой из исходных хромосом (рис. 1). Рис. 1. Упрощенная схема кроссинговера. 1 – хромосомы до перекреста; 2 – перекрест; 3- кроссоверные хромосомы Цитологическое доказательство кроссинговера. Возможность такого обмена участками хромосом доказана цитологически. Это удается в тех случаях, когда хромосомы одной пары несут в себе разные аллельные гены и одновременно различаются морфологически. Такие различия в строении хромосом часто возникают в результате хромосомных перестроек. Впервые цитологическое доказательство перекреста и обмена участками хромосом было получено на кукурузе английскими исследователями Б. Мак-Клинток и Г. Крейтоном и на дрозофиле немецким генетиком К. Штерном в 30-х годах. При цитологическом и генетическом исследовании кроссинговера установлено, что кроссинговер осуществляется в профазе мейоза на стадии, когда хромосома состоит из четырех хроматид, причем обмен участками происходит только между несестринскими хроматидами. Частота возникающих перекрестов хромосом, определяемая по отношению числа рекомбинантных особей к общему числу потомков и выражаемая в процентах. Величина перекреста обычно тем больше, чем меньше сила сцепления и чем дальше друг от друга расположены гены в Полесский государственный университет 282 Генетика с основами биометрии ГУ хромосоме. Расстояние между генами. Если процент кроссоверных особей служит показателем расстояния между генами в хромосоме, то, зная частоту перекреста одного гена по отношению к двум другим, а этих двух между собой, можно определить их взаимное расположение в хромосоме. Если известно, что частота кроссинговера между генами А и В равна 10 %, а между генами А и С – 5 %, то этого еще недостаточно для определения местоположения этих трех генов, поскольку гены в данном случае могут быть расположены по-разному (рис. 2). Рис. 2. Определение взаимного расположения генов в хромосоме: а, б – варианты взаимного расположения генов П ол ес Для их точной взаимной ориентации необходимо знать процент перекреста между генами В и С. Если он окажется равным 5 %, то гены А, В, и С расположены в хромосоме так, как показано на рис. 2, а, если же он составляет 15 %, то гены будут располагаться в соответствии с рисунком 2, б. Интерференция и коинцинденция. Одной из причин, снижающих наблюдаемую величину кроссинговера, оказывается процесс подавления кроссинговера вблизи пункта, где обмен уже произошел. Кроссинговер, произошедший в одном месте хромосомы, подавляет кроссинговер в близлежащих районах. Это явление носит название интерференции. Особенно сильно сказывается интерференция на подавлении двойного кроссинговера при малых расстояниях между генами. Если гены А, В и С близко расположены по отношению к другому, то одинарный обмен на участке между нами А и В подавляет таковой на участке между В и С. Разрывы хромосом оказываются зависимыми друг от друга. Степень этой зависимости определяется расстоянием между происходящими разрывами: по мере удаления от места разрыва возможность другого разрыва увеличивается. Интерференцию измеряют отношением наблюдаемого числа двойных перекрестов к теоретически ожидаемому. Это отношение в генетике называют величиной совпадения, или коинциденцией, и выражают в долях единицы, или в процентах. ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Решите следующие задачи: Задача 1. У человека гены А и В локализованы в аутосоме и растояние между ними 8 морганид. Какая вероятность рождения ребенка с генотипом и фенотипом матери, если ее генотип Аb//аВ, а генотип супруга аb//аb. Полесский государственный университет 283 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Задача 2. У бабочки-парусника ген, обуславливающий окраску тела, и ген, контролирующий наличие выступа на крыле, являются доминантными и расположены на расстоянии 6 морганид. Какое потомство можно ожидать от скрещивания гетерозиготной по обоим признакам самки и неокрашенного самца без выступа на крыле? Задача 3. У кроликов рецессивный ген белой пятнистости (голландские кролики) сцеплен с рецессивным геном, обуславливающим длинный волосяной покров ангорского типа. Кроссинговер на этом участке составляет 14 %. Гомозиготного длинношерстного пятнистого кролика скрестили с особью дикого типа. Какие фенотипы, и в каком соотношении должны иметь место в случае возвратного скрещивания гибридов первого поколения с голландским длинношерстным кроликом? Задача 4. У кроликов ген рецессивный белой пятнистости «голландского» типа (а) сцеплен с рецессивным геном, обуславливающим длинный шерстяной покров ангорского кролика (в). Величина кроссинговера между ними равна 14%. Гомозиготного по короткошерстности пятнистого кролика скрестили с ангорским кроликом дикого типа (не пятнистым). Обозначьте генотипы родителей и гибридов первого поколения. Какие фенотипы должны иметь место, если провести возвратное скрещивание гибридов F1 с «голландскими» ангорскими кроликами? Каково их соотношение среди 86 потомков при этом скрещивании? Задача 5. Гены карликовости и скрученных листьев у кукурузы являются рецессивными и расположены на расстоянии 18 морганид в одной аутосоме. Какое потомство и в каком процентном соотношении можно ожидать от скрещивания гетерозиготного высокого растения с нормальными листьями и гомозиготного карликового растения с нормальными листьями? Задача 6. У пшеницы доминантные признаки — восприимчивость к стеблевой ржавчине (А) и восприимчивость к мучнистой росе (В), рецессивные — устойчивость к СР (а) и устойчивость к МР (в). Наследование сцепленное. Кроссинговер 2%. Какие результаты ожидаются по фенотипу и генотипу в потомстве анализирующего скрещивания дигетерозиготы АВ//ав? Задача 7. У человека ген резус фактора сцеплен с локусом определяющим форму эритроцитов и находится от него на расстоянии 3 морганид. Резусположительность и эллиптоцитоз являются доминантными признаками. Один из супругов гетерозиготен по обоим признакам, при этом резус положительный аллельный ген он унаследовал от матери, а эллиптоцитоз от отца. Второй супруг имеет отрицательный резус и нормальные эритроциты. Найти генотипы и фенотипы потомков. Задача 8. Ген цветовой слепоты и ген ночной слепоты наследуются через Х хромосому и находятся на расстоянии 50 морганид друг от друга. Оба признака рецессивны. Определите вероятность рождения детей одновременно с обеими аномалиями в семье, где мать имела нормальное зрение, но ее мать Полесский государственный университет 284 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ страдала ночной слепотой, а отец цветовой слепотой, муж нормален в отношении обоих признаков. Задача 9. У дрозофилы доминантные гены серой окраски тела и прямых крыльев сцеплены и локализованы в 1 аутосоме, а ген черной окраски и дуговидных крыльев в гомологичной хромосоме. При скрещивании дигетерозиготной дрозофилы с мухой у которой черное тело и дуговидные крылья в F1 получено следующее потомство: серых прямокрылых 1641, черных дугокрылых 1532, серых дугокрылых 1251, черных прямокрылых 1180. Определить процент кроссоверных и некроссоверных генов и расстояние между ними. Задача 10. Расстояние между генами A и B, расположенными в одной группе сцепления, равно 8,4 морганиды. Определите вероятность образования гамет AB у дигетерозиготы, если одна из родительских особей имела генотип aaBB. Задача 11. У кукурузы рецессивный ген «укороченные междоузлия» (b) находится в одной хромосоме с рецессивным геном «зачаточная метелка» (v). При проведении анализирующего скрещивания с растением, имеющим нормальные междоузлия и нормальную метелку, все потомство было похоже на одного из родителей. При скрещивании полученных гибридов между собой в потомстве оказалось 75% растений с нормальными междоузлиями и нормальными метелками, а 25% с укороченными междоузлиями и зачаточной метелкой. Определите генотипы родителей и потомства в двух скрещиваниях. Составьте схему решения задачи. Объясните полученные результаты. Какой закон наследственности проявляется во втором случае. Задача 12. В результате скрещивания самки дрозофилы, которая имела генотип АаВb, с самцом, генотип которого ааbb, получили 360 мушек. Сколько из них теоретически должны отличаться по фенотипу от материнской особи, если доминирование генов А и В полное, наследуются они сцеплено и расстояние между ними составляет 10% перекреста? Задание 2. Составьте генетическую карту. Задача 1. Гетерозиготных самок желтого цвета (у) с белыми глазами (w) и вильчатыми крыльями (bi) скрестили с гомозиготными по этим генам самцами. Получилось потомство, состоящее из 1160 некроссоверных мух, 15 кроссоверных за счет перекреста генов у и w, 43 кроссоверных за счет перекреста генов w и bi. Вычислить расстояние между генами. Построить генетическую карту. Задача 2. Расположить гены а, b , с, d в нужной последовательности: величины кроссинговера между а и b – 8%, между b и с –3%, между с и d – 4%, между а и с – 5%, между а и d – 4%, между с и b – 3%. Задание 3. Измерить величину интерференции и коинциденции. Полесский государственный университет 285 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ На основании измерения частоты перекреста было установлено, что в генотипе ABC/abc гены А и В разделяются расстоянием 17,9, а В и С – расстоянием 28,6 морганид. Всего получена 521 особь, среди которых у 14 особей возник двойной кроссинговер. Определите величину интерференции и коинциденции. Полесский государственный университет 286 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 10 ТЕМА: Конъюгация бактерий (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить этапы конъюгации бактерий. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Конъюгация – однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации. Явление конъюгации было открыто и хорошо изучено у кишечной палочки (E. coli). Тем не менее, оно имеет место и у других прокариот. Наиболее известной конъюгативной плазмидой является F-плазмида, или F-фактор. F-плазмида является эписомой (плазмидой, которая может существовать в клетке как свободный генетический элемент, так и интегрироваться в клеточный геном путѐм гомологичной рекомбинации) длиной около 100 тыс. (по другим источникам, 60 тыс.) пар оснований. У неѐ есть собственная точка начала репликации – oriV и точка разрыва – oriT. Fплазмида, как и все конъюгативные плазмиды, кодирует белки, противодействующие прикреплению пилей других бактерий к клеточной стенке данной. Поэтому клетки, уже содержащие конъюгативную плазмиду в свободном или интегрированном состоянии, на несколько порядков реже выступают в роли реципиентов при конъюгации. Клетку, содержащую Fплазмиду, обозначают F+ и называют мужской, при конъюгации она, как правило, выступает в роли донора. Клетка, лишѐнная F-плазмиды, при конъюгации является реципиентом генетического материала и называется женской. Помимо прочей генетической информации, F-плазмида несѐт локусы tra и trb, в общей сложности содержащие 33 тыс. пар оснований и включающие около 40 генов. В локус tra входит ген, ответственный за белок пилин, а также регуляторные гены, которые в совокупности отвечают за образование половых пилей на поверхности клетки. В этот локус также входят гены, обеспечивающие притяжение поверхности клетки F+ к клетке F- и инициирующие конъюгацию. Имеются разногласия по поводу того, участвуют ли половые пили в непосредственной передаче ДНК от одной клетки к другой. Вероятнее всего, половые пили служат для удержания конъюгирующих бактерий вместе, однако их функция до конца не установлена. Полесский государственный университет 287 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Кроме того, на половых пилях адсорбируются бактериофаги, специфичные к мужским клеткам. К ним относятся РНК-содержащие фаги: R17, MS2, Qβ, f12, а также фаги с одноцепочечной ДНК: fd, f1, M13. Несколько белков, кодируемых локусами tra и trb, «открывают» канал между двумя конъюгирующими клетками. Фермент traD, локализованный в основании пиля, инициирует слияние участков мембран клеток. Плазмидой кодируется эндонуклеаза, разрезающая одну из нитей еѐ ДНК в определѐнной точке (oriT). Эта эндонуклеаза называется релаксазой. Релаксаза может функционировать в одиночку или в комплексе с дюжиной других белков, в совокупности составляющих релаксосому. В случае Fплазмиды релаксаза называется TraI, а релаксосома состоит из белков TraI, TraY, TraM и фактора IHF. Затем разрезанная цепь раскручивается и 5'-концом переносится в клеткуреципиент. Выдвигалось предположение, что ДНК передаѐтся по каналам в половых пилях, но к настоящему времени показано, что перенос идѐт через поры в клеточной стенке. В первом сегменте поступающей в клетку реципиента нити ДНК расположены антирестрикционные гены. Эти гены должны транскрибироваться в реципиенте сразу же после своего поступления туда, чтобы обеспечить накопление белков, блокирующих процесс разрушения ДНК рестриктазами. Наконец, переданная цепь замыкается в кольцо и на еѐ основе путѐм репликации восстанавливается двунитевая структура ДНК плазмиды. Для успешной передачи генетического материала и последующей репликации может потребоваться и второй разрыв. Весь процесс конъюгации длится несколько минут. Конъюгативная плазмида может встраиваться в хромосому путѐм гомологичной рекомбинации с участием IS-элементов. Конъюгация при этом идѐт по тому же механизму, однако реципиенту передаѐтся не только плазмида, но и хромосомный материал донора. В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Путѐм искусственного прекращения передачи ДНК в разное время и наблюдения за тем, какие гены были при этом переданы, была получена карта хромосомы кишечной палочки (E. coli) и показано еѐ кольцевое строение. При выщеплении из хромосомы плазмида может захватывать еѐ фрагмент и переносить его с собой в другую клетку (аналогия с трансдукцией). Данный процесс носит название сексдукции. ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Заполнить таблицу. Полесский государственный университет 288 Генетика с основами биометрии Таблица 1. Конъюгация бактерий Объект действия Характеристика Функции Примечание 1. Донор 2. Реципиент 3. Плазмиды F F+ 4. Релаксаза 5. Пили П ол ес ГУ Задание 2. Опишите этапы конъюгации у бактерий на рисунке: 1. 2. 3. 4. ? ? ? ? Задание 3. Изобразить схематически бактериальную хромосому с внехромосомными факторами, выполняющими кодирующую (внесение нового признака) и регулирующую (восстановление утраченной функции) роль. Полесский государственный университет 289 П ол ес ГУ Генетика с основами биометрии Полесский государственный университет 290 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 11 ТЕМА: Структура и функция гена (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить хромосомную и центровую теорию гена; псевдоаллелизм; цис-транс-тест на аллелизм. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Хромосомная теория сформулирована в 1911 г. американским ученым Т. Морганом. Ее сущность заключается в следующем: – основным материальным носителем наследственности являются хромосомы с локализованными в них генами; - гены наследственно дискретны, относительно стабильны, но при этом могут мутировать; – гены в хромосомах расположены линейно, каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме; – гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются совместно; – число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов; – сцепление генов может нарушаться в результате кроссинговера; – частота кроссинговера прямо пропорциональна расстоянию между генами. Значение этой теории заключается в том, что она дала объяснение законам Менделя, вскрыла цитологические основы наследования признаков и генетические основы теории естественного отбора. Центровая теория генов – теория, согласно которой ген состоит из отдельных функциональных участков (центров), которые могут независимо изменяться при мутациях. Авторы назвали ген scute базигеном, т.е. участком хромосомы, занимаемым всеми мутационными изменениями – трансгенами. Отдельные мутационные участки внутри базигена были названы центрами, а сама теория сложного строения или делимости гена получила название центровой. Неправомочность представлений о гене как о единице рекомбинации была доказана в 40-х годах XX века при изучении некоторых генов экспериментами по внутригенному кроссинговеру на дрозофиле по локусам lozenge, white и др. (работы Э. Льюиса, М. Грина и др.). В частности, у Dr. melanogaster в системе lozenge (безфасеточные глаза) известно 18 аллелей, относящихся к 3 генам. М. Грин и К. Грин (1949г.) смогли получить гетерозигот lzBS // lzg, в потомстве которых с частотой всего 0,1% появлялись особи с нормальными глазами (дикий тип), а также особи с более сильным мутантным проявлением, Полесский государственный университет 291 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ чем любой из исходных аллелей. Такое могло произойти только вследствие кроссинговера внутри гена lz. Это явление, названное псевдоаллелизм, доказывало, что рекомбинация, хотя и редко, может происходить в пределах одного гена. Следовательно, несостоятельным оказался и второй критерий аллелизма Т. Моргана – рекомбинационный. Сам же термин «псевдоаллелизм» возник из-за желания ученых спасти представление о неделимости гена. Таким образом, открытие таких явлений как ступенчатый аллелизм и псевдоаллелизм позволило выявить противоречия между рекомбинационным и функциональным критериями аллелизма, которые послужили основой для первого кризиса в теории гена. Разрешение этого кризиса стало возможным только тогда, когда сами гены стали объектом пристального изучения уже на молекулярно-биологическом уровне. Цис-транс-тест (cis-trans-test) [лат. cis – по эту сторону; лат. trans – через, за пределами; англ. test – испытание] – генетический метод анализа, позволяющий выявить принадлежность рецессивных мутаций одному или разным генами. Для проведения Ц.-т.-т. исследуемые мутации сочетают в транс- и цис-положениях. В первом случае скрещивают особей, несущих по одной анализируемой мутации, во втором – скрещивают особь, несущую обе мутации, с особью дикого (нормального) типа. Если мутации, сочетаемые в транс-положении (транстест, или функциональный тест на аллелизм), принадлежат разным генам, то гибридный организм автоматически получает и по неповрежденной копии каждого гена. В этом случае рецессивные мутации не проявляются, и гибрид имеет нормальный фенотип (мутации комплементарны). Если сочетаемые мутации принадлежат одному гену, то в гибриде обе копии данного гена повреждены, и обнаруживается мутантный фенотип (мутации некомплементарны). Метод предложен Э. Льюисом в 1951 г. С. Бензер в 1957 г. предложил единицу, определяемую Ц.-т.-т., называть цистроном. Полесский государственный университет 292 Генетика с основами биометрии ес ГУ Таким образом, после доказательства генетической роли нуклеиновых кислот и расшифровки структуры молекулы ДНК С. Бензер в экспериментах на бактериофаге Т4 показал, что наименьшими мутирующими элементами гена являются отдельные пары нуклеотидов, и кроссинговер может происходить между двумя парами нуклеотидов. Было окончательно постулировано, что ген представляет собой определенный участок ДНК, состоящий из нескольких тысяч пар нуклеотидов, способных мутировать и быть разделенными рекомбинацией, но функционально представляющий единое целое. Сплайсинг (от англ. splice – сращивать или склеивать концы чего-либо) – процесс вырезания определѐнных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе обработки РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании матричной, или информационной, РНК (мРНК) у эукариот, при этом путѐм биохимических реакций с участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную последовательность участки – экзоны. Таким образом незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки. Большинство генов прокариот, кодирующих белки, не имеют интронов, поэтому у них сплайсинг пре-мРНК встречается редко. У представителей эукариот, бактерий и архей встречается также сплайсинг транспортных РНК (тРНК) и других некодирующих РНК. П ол ХОД РАБОТЫ: Задание 1. В таблице приведены результаты теста на комплементарность для десяти точковых мутаций. «+» – комплементация мутации; «-» – отсутствие комплементации. По результатам, приведенным в таблице, определите группы комплементации. мутант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 + + + + + + + 2 + + + + + + + 3 + + + 4 + + + 5 + + + 6 + + + 7 + + + 8 + 9 + 10 Анализируем поочередно горизонтальные строки. Полесский государственный университет 293 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 1. Мы видим, что при скрещивании мутанта 1 с мутантами 1, 6 и 7 не происходит комплементации (-), следовательно, эти мутации затрагивают одну область гена, поэтому мы можем отнести эти мутации к одной группе комплементации. При скрещивании мутанта 1 с мутантами 2, 3, 4, 5, 8, 9 и 10 происходит комплементация мутации (+), следовательно, эти мутации затрагивают разные области гена, поэтому мы можем отнести эти мутации к другой группе комплементации. И т.д…. Ответ: группа 1 – мут. 1, 6, 7; группа 2 – … Полесский государственный университет 294 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 12 ТЕМА: Генетический код (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить этапы биосинтеза белка, транскрипцию, трансляцию; свойства генетического кода; перенос информации в клетке. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Этапы биосинтеза белка: 1. Транскрипция (переписывание информации с ДНК на иРНК). В определенном участке ДНК разрываются водородные связи, получается две одинарных цепочки. На одной из них по принципу комплементарности строится иРНК. Затем она отсоединяется и уходит в цитоплазму, а цепочки ДНК снова соединяются между собой. 2. Процессинг (только у эукариот) – созревание иРНК: удаление из нее участков, не кодирующих белок, а так же присоединение управляющих участков. 3. Экспорт иРНК из ядра в цитоплазму (только у эукариот). Происходит через ядерные поры; всего экспортируется примерно 5% от общего количества иРНК в ядре. 4. Синтез аминоацил-тРНК. В цитоплазме имеется 61 фермент аминоацил-тРНК-синтетаза. Он комплементарно узнает аминокислоту и тРНК, которая должна ее переносить, и соединяет их между собой, при этом затрачивается 1 АТФ. 5. Трансляция (синтез белка). Внутри рибосомы к кодонам иРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны тРНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, получается белок. 6. Созревание белка. Вырезание из белка ненужных фрагментов, присоединение небелковых компонентов (например, гема), соединение нескольких полипептидов в четвертичную структуру. Генетиический код – свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислотных остатков в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты. В ДНК используется четыре азотистых основания – аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением нуклеотида, содержащего тимин, который заменѐн похожим нуклеотидом, содержащим урацил, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В Полесский государственный университет 295 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединѐнных в строго определѐнной последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Свойства генетического кода: 1. Триплетность – значащей единицей кода является сочетание трѐх нуклеотидов (триплет, или кодон). 2. Непрерывность – между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. 3. Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки). 4. Однозначность (специфичность) – определѐнный кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты – цистеин и селеноцистеин). 5. Вырожденность (избыточность) – одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. 6. Универсальность – генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности – от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже). 7. Помехоустойчивость – мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными. 8. Знаки препинания – триплеты выполняют функцию знаков препинания. В процессе размножения клеток генетическая информация передается от одного поколения клеток другому. При этом все клетки получают одинаковую информацию. Это, возможно, вследствие того, что перед делением клетки осуществляется репликация (удвоение) ДНК, в результате образуются две идентичные молекулы ДНК, которые и передаются потомкам. В структуре ДНК заложена способность этой молекулы к копированию. Закодированная в ДНК генетическая информация реализуется в результате экспрессии генов. Экспрессия генов включает транскрипцию (копирование информации с ДНК на синтезируемую Полесский государственный университет 296 Генетика с основами биометрии РНК) и последующую трансляцию (синтез на матрице РНК соответствующего белка). Возможен поток информации и в направлении от РНК к ДНК, этот процесс носит название обратная транскрипция. В то же время информация не передается от белков нуклеиновым кислотам. Однако следует отметить, что белки играют важную роль в осуществлении процессов передачи информации, как между нуклеиновыми кислотами, так и от нуклеиновых кислот к белкам. П ол ес ГУ ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Нарисуйте схему биосинтеза белка: Полесский государственный университет 297 Генетика с основами биометрии ГУ Задание 2. Решите задачи, используя следующие правила: o Один шаг это полный виток спирали ДНК–поворот на 360 ; Один шаг составляют 10 пар нуклеотидов; Длина одного шага – 3,4 нм; Расстояние между двумя нуклеотидами – 0,34 нм; Молекулярная масса одного нуклеотида – 345 г/моль; Молекулярная масса одной аминокислоты – 120 г/мол; В молекуле ДНК: А+Г=Т+Ц (Правило Чаргаффа: ∑(А) = ∑(Т), ∑(Г) = ∑(Ц), ∑(А+Г) =∑(Т+Ц); Комплементарность нуклеотидов: А=Т; Г=Ц; Цепи ДНК удерживаются водородными связями, которые образуются между комплементарными азотистыми основаниями: аденин с тимином соединяются 2 водородными связями, а гуанин с цитозином тремя; В среднем один белок содержит 400 аминокислот; вычисление молекулярной массы белка: П ол ес где Мmin – минимальная молекулярная масса белка, а – атомная или молекулярная масса компонента, в – процентное содержание компонента. Таблица1. – Генетический код Полесский государственный университет 298 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Задача 1.Одна из цепочек ДНК имеет последовательность нуклеотидов : АГТ АЦЦ ГАТ АЦТ ЦГА ТТТ АЦГ ... Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка ДНК той же молекулы? Задача 2. Последовательность нуклеотидов в начале гена, хранящего информацию о белке инсулине, начинается так: ААА ЦАЦ ЦТГ ЦТТ ГТА ГАЦ. Напишите последовательности аминокислот, которой начинается цепь инсулина. Задача 3. Большая из двух цепей белка инсулина имеет (так называемая цепь В) начинается со следующих аминокислот: фенилаланин-валинаспарагин-глутаминовая кислота-гистидин-лейцин. Напишите последовательность нуклеотидов в начале участка молекулы ДНК, хранящего информацию об этом белке. Задача 4. Участок гена имеет следующее строение, состоящее из последовательности нуклеотидов: ЦГГ ЦГЦ ТЦА ААА ТЦГ ... Укажите строение соответствующего участка белка, информация о котором содержится в данном гене. Как отразится на строении белка удаление из гена четвертого нуклеотида? Задача 5. Вирусом табачной мозаики (РНК-содержащий вирус) синтезируется участок белка с аминокислотной последовательностью: Ала – Тре – Сер – Глу – Мет-. Под действием азотистой кислоты (мутагенный фактор) цитозин в результате дезаминирова ния превращается в урацил. Какое строение будет иметь участок белка вируса табачной мозаики, если все цитидиловые нуклеотиды подвергнутся указанному химическому превращению? Задача 6. При синдроме Фанкоми (нарушение образования костной ткани) у больного с мочой выделяются аминокислоты , которым соответствуют кодоны в и -РНК : АУА ГУЦ АУГ УЦА УУГ ГУУ АУУ. Определите, выделение каких аминокислот с мочой характерно для синдрома Фанкоми, если у здорового человека в моче содержатся аминокислоты аланин, серин, глутаминовая кислота, глицин. Задача 7. Цепь А инсулина быка в 8-м звене содержит аланин, а лошади – треонин, в 9-м звене соответственно серин и глицин. Что можно сказать о происхождении инсулинов? Задача 8 . Исследования показали, что в и- РНК содержится 34% гуанина,18% урацила, 28% цитозина и 20% аденина.Определите процентный состав азотистых оснваний в участке ДНК, являющейся матрицей для данной и-РНК. Задача 9. На фрагменте одной нити ДНК нуклеотиды расположены в последователь ности: А–А–Г–Т–Ц–Т–А–Ц–Г–Т–А–Т. Определите процентное содержание всех нукле отидов в этом фрагменте ДНК и длину гена. Задача 10. В молекуле ДНК на долю цитидиловых нуклеотидов приходится 18%. Определите процентное содержание других нуклеотидов в Полесский государственный университет 299 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ этой ДНК. Задача 11. В молекуле ДНК обнаружено 880 гуанидиловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего числа нуклеотидов в этой ДНК. Определите: а) сколько других нуклеотидов в этой ДНК? б) какова длина этого фрагмента? Задача 12. Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой 69 000, из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов. Найдите количество всех нуклеотидов в этой ДНК. Определите длину этого фрагмента. Задача 13. Что тяжелее: белок или его ген? Задача 14. Гемоглобин крови человека содержит 0, 34% железа. Вычислите минимальную молекулярную массу гемоглобина. Задача 15. Альбумин сыворотки крови человека имеет молекулярную массу 68400. Определите количество аминокислотных остатков в молекуле этого белка. Задача 16. Белок содержит 0,5% глицина. Чему равна минимальная молекулярная масса этого белка, если М глицина = 75,1? Сколько аминокислотных остатков в этом белке? Полесский государственный университет 300 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 13 ТЕМА: Наследственная и ненаследственная изменчивость (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить наследственную и ненаследственную изменчивость; статистический анализ модификационной изменчивости; решить задачи по теме «Хромосомные и генные мутации». П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Изменчивость – это возникновение индивидуальных различий. На основе изменчивости организмов появляется генетическое разнообразие форм, которые в результате действия естественного отбора преобразуются в новые подвиды и виды. Различают изменчивость модификационную, или фенотипическую, и мутационную, или генотипическую. Модификационная изменчивость появляется при изменении условий среды, в результате чего организм изменяется в пределах нормы реакции, заданной генотипом. Адаптация – приспособление к данным условиям среды, выживание, сохранение потомства. Например, белокочанная капуста в условиях жаркого климата не образует кочана. Породы лошадей и коров, завезенных в горы, становятся низкорослыми. Мутационная изменчивость появляется при влиянии внешних и внутренних мутагенных факторов, в результате чего происходит изменение в генах и хромосомах. Результат ее является материалом для естественного и искусственного отбора, так как мутации могут быть полезные, вредные и безразличные, доминантные и рецессивные. Например, появление полиплоидных форм в популяции растений или у некоторых животных (насекомых, рыб) приводит к их репродуктивной изоляции и образованию новых видов, родов – микроэволюции. Комбинатнвная изменчивость возникает стихийно в рамках популяции при скрещивании, когда у потомков появляются новые комбинации генов. Благодаря ей происходит распространение в популяции новых наследственных изменений, которые служат материалом для отбора. Примером служит появление розовых цветков при скрещивании белоцветковой и красноцветковой примул. При скрещивании белого и серого кроликов может появиться черное потомство. Коррелятивная изменчивость возникает в результате свойства генов влиять на формирование не одного, а двух и более признаков. Обеспечивает постоянство взаимосвязанных признаков, целостность организма как системы. Например, длинноногие животные имеют длинную шею. У столовых сортов свеклы согласованно изменяется окраска корнеплода, черешков и жилок листа. Полесский государственный университет 301 Генетика с основами биометрии ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Перепишите и заполните таблицы: Таблица 1. – Сравнительная характеристика форм изменчивости Причины появления Значение Примеры ГУ Формы изменчивости Ненаследственн ая модификационная (фенотипическая) Наследственная (генотипическая) Мутационная Наследственная (генотипическая) Комбинатнвная Наследственная (генотипическая) Соотносительная (коррелятивная) Модификационная изменчивость Мутационная изменчивость Объект изменения Фенотип в пределах нормы реакции Генотип Отбирающий фактор Изменение условий окружающей среды П ол Характеристика ес Таблица 2. – Сравнительная характеристика форм изменчивости (Т.Л. Богданова, 1991) Наследование признаков Подверженность изменениям хромосом Подверженность изменениям молекул ДНК Значение для особи Значение для вида Роль в эволюции Форма Не наследуются Не подвергаются Не подвергаются Изменение условий окружающей среды Наследуются Подвергаются при хромосомной мутации Подвергаются в случае генной мутации Повышает или понижает жизнеспособность. продуктивность, адаптацию Полезные изменения приводят к победе в борьбе за существование, вредные — к гибели Способствует выживанию Приводит к образованию новых популяций, видов и т. д. в результате дивергенции Приспособление организмов к условиям среды Определенная (групповая) Полесский государственный университет Материал для естественного отбора Неопределенная 302 Генетика с основами биометрии изменчивости Подчиненность закономерности Статистическая закономерность вариационных рядов (индивидуальная), комбинативная Закон гомологических рядов наследственной изменчивости П ол ес ГУ Задание 2. Решите задачи. Задача 1. Ликвидаторы аварии на Чернобыльской АЭС чаще, чем в среднем в популяции, заболевают лейкозом и раком щитовидной железы. Объясните почему? Как называется такая форма изменчивости? Задача 2. Один из монозиготных близнецов поднялся высоко в горы, другой – остался на равнине. У первого количество эритроцитов в крови увеличилось, тогда как у второго не изменилось. Объясните причину данного явления. Назовите форму изменчивости. Полесский государственный университет 303 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 14 ТЕМА: Наследственная и ненаследственная изменчивость (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить основные характеристики радиационного и химического мутагенеза; методы учета мутаций. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Химический мутагенез. Некоторые химические вещества (мутагены) значительно повышают частоту мутирования до одной мутантной клетки на 103-104 клеток. К таким веществам относят аналоги азотистых оснований (например, бромурацил), включающиеся в молекулу ДНК и вызывающие вставку некорректного основания при репликации (в частности, бромурацил аналогичен по структуре тимину, он включается в ДНК как партнѐр аденина, а затем переходит в энольную форму и узнаѐтся полимеразой как цитозин, что приводит к включению гуанина вместо аденина); алкилирующие агенты (например, этилметансульфонат алкилирует преимущественно атом азота гуанина); азотистая кислота, дезаминирующая азотистые основания; интеркалирующие агенты (например, акридиновые красители), внедряющиеся между основаниями ДНК и вызывающие увеличение расстояния между ними, что приводит к утрате нуклеотидов, включению дополнительной пары нуклеотидов и др. Радиационный мутагенез обычно приводит к образованию пиримидиновых димеров. УФ-, рентгеновские лучи и другие виды ионизирующего излучения оказывают на микроорганизмы как летальное (подавляющее жизнедеятельность), так и мутагенное воздействие. Типы мутаций. Мутации могут индуцировать следующие события: модификации оснований (изменения отдельных нуклеотидов), вставки (включение дополнительных оснований), делении (потеря одного основания или группы оснований) и деформации спирали ДНК. • Модификация оснований включает химическое изменение азотистого основания в кодирующей последовательности, что приводит к изменению кодона. В результате вместо одной аминокислоты кодируется другая либо возникает бессмысленный кодон. • Вставка либо делеция какого-либо оснований (аналогов оснований) в ДНК приводит к фреймшифт-мутациям (мутации со сдвигом рамки считывания), что вызывает изменение позиции рамки считывания триплетного кодона, и, таким образом, изменение всех последующих кодонов. • Деформации спирали ДНК (структурные искажения ДНК) образуются в результате индуцированной УФ-излучением димеризации расположенных близко нуклеотидов (особенно тимина). Образовавшееся циклобутановое кольцо нарушает симметрию ДНК и препятствует правильной репликации. Полесский государственный университет 304 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Репликация может быть нарушена также при образовании поперечных межцепочечных сшивок ДНК. В зависимости от синтеза «правильных» или «неправильных» полипептидов при считывании мРНК, отразившей изменения ДНК (то есть в зависимости от сохранения смысловой функции образующегося полипептида), различают несколько видов мутаций. • «Молчащие» мутации (мутации «без изменения смысла», то есть не вызывающие изменения аминокислотной последовательности белка). Их появление возможно вследствие вырожденности генетического кода. Получившийся в результате мутирования триплет кодирует ту же самую аминокислоту, что и исходный триплет, поэтому синтезируемый белок остаѐтся без изменений. • Миссенс-мутации (мутации «с изменением смысла») возникают при условии, что изменения кодирующей последовательности приводят к появлению в полипептиде иной аминокислоты. Получающийся изменѐнный белок может быть функциональным или нефункциональным в зависимости от значимости затронутой мутацией области. • Нонсенс-мутации («антисмысловые», «бессмысленные» мутации) приводят к образованию одного из трѐх кодонов-терминаторов (УАГ, УАА, УГА), вызывающих преждевременное окончание синтеза полипептидной цепи. Когда рибосома достигает такого кодона, процесс элонгации полипептидной цепи заканчивается, и высвобождается неполный пептид (вероятно, такое действие терминальных кодонов обусловлено отсутствием тРНК, связывающихся с данными кодонами). Эта мутация приводит либо к синтезу очень коротких нефункциональных белков, либо к полному прекращению синтеза белка. ХОД РАБОТЫ: Задание 1. По схемам скрещивания обнаружить отдельные видимые мутации. 1. Метод обнаружения рецессивных сцепленных с полом летальных мутаций у дрозофилы (схема 1). 2. Метод Меллер-5 (схема 2). 3. Метод сбалансированных леталей CyL/Pm (схема 3). Полесский государственный университет 305 Генетика с основами биометрии ес ГУ 1 П ол 2 Полесский государственный университет 306 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 3 Полесский государственный университет 307 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 15 ТЕМА: Дифференциальная экспрессия генов как основа индивидуального развития организма (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить регуляцию активности генов на уровне инициации транскрипции и на посттранскрипционном уровне. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Активность многих генов прокариот регулируется с помощью белковых факторов, взаимодействующих с регуляторными участками промоторов генов. При этом происходят как активация транскрипции генов, так и подавление считывания генетической информации РНК- полимеразами. В первом случае регуляторные белковые факторы называют активаторами , осуществляющими позитивную регуляцию транскрипции , а во втором репрессорами . Регуляцию, связанную с подавлением транскрипции, называют негативной . Механизмы стимулирования инициации транскрипции могут рассматриваться с двух точек зрения - кинетической и структурной. Активация промоторов путем образования открытых комплексов является лимитирующей стадией на пути активации транскрипции в целом, поэтому действие активаторов может быть охарактеризовано по изменению значений кинетических параметров реакций, происходящих на разных этапах активации. Так, при действии активирующего комплекса Crp-cAMP на lacпромотор происходит десятикратное увеличение равновесной константы ассоциации KB РНК- полимеразы с промотором с образованием закрытого комплекса. Активация промотора PRM фага лямбда , опосредованная cIбелком , характеризуется пяти-десятикратным увеличением константы скорости kf перехода закрытых комплексов в открытые. Активирующее действие белка лямбда-cII на промотор РRE сопровождается изменением обоих кинетических параметров. Активация транскрипции может быть опосредована увеличением скорости освобождения промотора РНК-полимеразой после инициации синтеза РНК. Многие активаторы транскрипции, в том числе и Crp-cAMP, сгибают молекулу ДНК после взаимодействия с ней, причем центр изгиба находится в сайте связывания активатора (рис. 1). Энхансеры - участки ДНК размером 10-20 пар оснований, присоединение к которым регуляторных белков увеличивает скорость транскрипции. Если участки ДНК, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции, то их называют сайленсерами. Полесский государственный университет 308 ес ГУ Генетика с основами биометрии Рис. 1. Адаптивная регуляция транскрипции у эукариотов П ол Промоторы эукариотических генов находятся под контролем большого числа регуляторных участков на молекуле ДНК: TATA-, CAAT-, GCпоследовательностей, энхансеров, сайленсеров-последовательностей, к которым присоединяются комплексы белков с различными лигандами (цАМФ, стероидными гормонами, метаболитами, ионами металлов и т.д.). Посттранскрипционная регуляция. В организме животных существенное значение в обеспечении разнообразия белков играет посттранскрипционный процессинг РНК. Основные способы такой регуляции - альтернативный сплайсинг и изменение стабильности РНК. Альтернативный сплайсинг. Установлено, что многие эукариотические гены, будучи транскрибированы, образуют несколько вариантов зрелой мРНК в ходе процессинга (или созревания) первичного транскрипта, имеющего полиэкзонное строение. Наиболее часто промотор сохраняется на одном из концов транскрипта, а в ходе сплайсинга происходит "вырезание" одного или нескольких экзонов. В других случаях в зрелой мРНК сохраняется часть интрона и включается в состав экзона с 5' или 3'-конца. Сплайсинг может влиять на выбор промотора или участка полиаденилирования. С помощью альтернативного сплайсинга в процессе синтеза антител образуются мембраносвязанные и секреторные формы антител (рис. 3). Так, первоначально В-лимфоциты продуцируют транскрипты, полиаденилированные после второго стоп-кодона, а интрон, в котором Полесский государственный университет 309 Генетика с основами биометрии Рис. 2. Действие лиганда-индуктора транскрипции на клетку млекопитающих. Лиганд-индуктор, например стероидный гормон, связывается с внутриклеточным рецептором, находящимся в ядре или цитоплазме, и поступает в ядро. Комплекс гормон-рецептор присоединяется к определѐнному участку на молекуле ДНК и активирует транскрипцию гена. Образуется мРНК - матрица для синтеза белка, обеспечивающего определѐнный клеточный ответ. П ол ес ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Зарисуйте схему: ГУ имеется первый стоп-кодон, удаляется. В результате синтезируются IgM, связанные с клеточной мембраной, так как мРНК таких клеток содержит на 3'конце экзон, кодирующий участок полипептидной цепи, состоящий из гидрофобных аминокислот. С помощью этого участка происходит "заякоривание" IgM в мембране. Когда В-лимфоциты превращаются в плазматические клетки, то в результате альтернативного сплайсинга образуется мРНК, в которой сохраняется интрон, содержащий первый стопкодон. Поэтому происходит более раннее полиаденилирование и исчезает экзон, кодирующий гидрофобный участок молекулы. Синтезируются укороченные молекулы антител, секретируемые в кровь. Задание 2. Зарисуйте схему возможных вариантов сплайсинга РНК. Рис. 3. Часто встречающиеся варианты сплайсинга первичных транскриптов РНК. I. Вырезание одного из экзонов: а) синтез белка, содержащего полный набор экзонов (1-5); б) синтез белка, лишѐнного одного экзона (1, 2,4, 5); II. Сохранение участка интрона: а) с 5'-конца; б) с 3'-конца. III. Сохранение целого интрона. IV. Использование альтернативных промоторов (либо перед экзоном 1, либо перед экзоном 2). V. Использование альтернативных участков полиаденилирования (например, при последовательном сшивании экзонов после экзона 3, а если экзон 3 не прочитывается, то после экзона 4). Полесский государственный университет 310 Генетика с основами биометрии ГУ Задание 3. Зарисуйте схему редактирования мРНК апопротеина В. П ол ес "Редактирование" мРНК апопротеина В. В ходе транскрипции гена апопротеина В в печени образуется мРНК, служащая матрицей для синтеза белка, состоящего из 4563 аминокислотных остатков. В клетках тонкого кишечника экспрессия того же гена вызывает образование белка, состоящего из 2152 аминокислот. В РНК транскрипте цитозин кодона 2153 - САА превращается в урацил (U), и бозникает стоп-кодон в середине молекулы мРНК. Это приводит к синтезу укороченного белка. Полесский государственный университет 311 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 16 ТЕМА: Популяция и ее генетическая характеристика (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомить учащихся с типами популяций, перекрестноразмножающихся организмов, изучить закон Харди-Вайнберга. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: На всех уровнях организации живой материи (молекулярном, хромосомном, клеточном, организменном) действуют одинаковые, механизмы и законы наследственности и есть факторы, нарушающие эти закономерности и приводящие к изменениям признаков и свойств организмов. Но все виды на Земле существуют в форме не разрозненных особей, а их совокупностей. Группа, или совокупность особей, относящихся к одному виду, заселяющих определенное пространство и имеющих сходные механизмы адаптации к условиям обитания, называется популяцией. Изучением генетических процессов на уровне популяции занимается популяционная генетика. Первые исследования структуры популяций были проведены еще в 1903 г. В. Иоганнсеном. Будучи целостной живой системой, популяция обладает такими свойствами, как наследственность и изменчивость. Наследственность популяции проявляется определенными закономерностями распределения в ней фенотипов, генотипов и аллелей. Генетический состав популяции относительно постоянен и может изменяться под действием факторов среды. Популяции свойственны два типа изменчивости: групповая (различия между популяциями) и индивидуальная (различия между особями одной популяции). И групповая и индивидуальная изменчивости могут носить экологический, модификационный, характер. Модификационная изменчивость в ряде случаев оказывается приспособительной, но преимущественно для отдельных особей. В основе приспособления к экологическим условиям популяции в целом лежит генотипическая изменчивость (мутации, комбинации). Генетическая информация популяции, т. е. совокупность генов всех особей ее, сложившаяся в процессе эволюции, составляет генофонд популяции. Каждая особь популяции является временным носителем части ее генофонда. Она может привнести один или несколько новых генов вследствие мутации, но в целом этот вклад невелик. Исходя из характера и способа размножения особей, различают три группы популяций: апомиктически размножающихся организмов, самоопылителей и перекрестно-размножающихся организмов. К популяциям перекрестноразмножающихся организмов относятся популяции большинства видов животных и растений, размножающихся Полесский государственный университет 312 Генетика с основами биометрии p2 +2pq + q2 = 1 ес ГУ половым путем посредством свободного скрещивания особей друг с другом. Предполагается, что в такой популяции все особи обладают одинаковой вероятностью к случайному свободному скрещиванию, которое называется панмиксией. Особенности и закономерности наследственности и изменчивости в популяции перекрестноразмножающихся организмов обычно исследуются на примере панмиктической популяции, где случайное свободное скрещивание особей протекает при отсутствии отбора. При перекрестном размножении в популяции идет постоянная, непрерывная гибридизация, результатом которой является максимальная гетерозиготность ее по многим генам. В 1904 г. К. Пирсон установил закон стабилизирующего скрещивания, который в 1908г. подтвердили математик Г. Харди и врач В. Вайнберг, предложив независимо друг от друга формулу (формула ХардиВайнберга), отражающую характер распределения аллелей, генотипов и фенотипов в популяции. Обозначив частоту гена А буквой р, а гена а - q. Закон Харди-Вайнберга формулируется следующим образом: в идеальной популяции соотношение частот аллелей генов и генотипов из поколения в поколение является величиной постоянной и соответствует уравнению: П ол где p2 — доля гомозигот по одному из аллелей; p — частота этого аллеля; q2 — доля гомозигот по альтернативному аллелю; q — частота соответствующего аллеля; 2pq — доля гетерозигот. Положения закона Харди-Вайнберга применимы и к множественным аллелям. Так, если аутосомный ген представлен тремя аллелями (А, а1 и а2), то формулы закона приобретают следующий вид: рА + qа1 + ra2 = 1; р2АА+ q2а1а1 + r2а2а2 + 2рqАа1 + 2рrАа2 + 2qrа1а2 = 1. ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Решите следующие задачи: Задача 1. В популяции человека количество индивидуумов с карим цветом глаз составляет 51%, а с голубым – 49%. Определите процент доминантных гомозигот в данной популяции. Задача 2. У клевера лугового поздняя спелость доминирует над скороспелостью и наследуется моногено. При апробации установлено, что 4% растений относятся к раннеспелому типу клевера, какую часть от позднеспелых растений составляют гетерозиготы? Полесский государственный университет 313 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Задача 3. При обследовании популяции каракульских овец было выявлено 729 длинноухих особей (АА), 111 короткоухих (Аа) и 4 безухих (аа). Вычислите наблюдаемые частоты фенотипов, частоты аллелей, ожидаемые частоты генотипов по формуле Харди-Вайнберга. Задача 4. В выборке, состоящей из 84 000 растений ржи, 210 растений оказались альбиносами, т.к. у них рецессивные гены находятся в гомозиготном состоянии. Определите частоты аллелей А и а, а также частоту гетерозиготных растений Задача 5. У кроликов окраска волосяного покрова ―шиншилла‖ (ген Cch) доминирует над альбинизмом (ген Ca). Гетерозиготы CchCa имеют светлосерую окраску. На кролиководческой ферме среди молодняка кроликов шиншилл появились альбиносы. Из 5400 крольчат 17 оказались альбиносами. Пользуясь формулой Харди-Вайнберга, определите, сколько было получено гомозиготных крольчат с окраской шиншилла. Задача 6. Одна из форм глюкозурии наследуется как аутосомнорецессивный признак и встречается с частотой 7:1000000. Определить частоту встречаемости гетерозигот в популяции. Задача 7. Альбинизм общий (молочно-белая окраска кожи, отсутствие меланина в коже, волосяных луковицах и эпителии сетчатки) наследуется как рецессивный аутосомный признак. Заболевание встречается с частотой 1 : 20 000 (К. Штерн, 1965). Определите процент гетерозиготных носителей гена. Задача 8. Популяция европейцев по системе групп крови резус содержит 85% резус положительных индивидуумов. Определите насыщенность популяции рецессивным аллелем. Задача 9. Врожденный вывих бедра наследуется доминантно. Средняя пенетрантность составляет 25%. Заболевание встречаются с частотой 6:10000. Определите число гомозиготных особей в популяции по рецессивному признаку. Задача 10. Подагра встречается у 2% людей и обусловлена аутосомным доминантным геном. У женщин ген подагры не проявляется, у мужчин пенетрантность его равна 20% (В.П. Эфроимсон, 1968). Определите генетическую структуру популяции по анализируемому признаку, исходя из этих данных. Задача 11. Устойчивость к ВИЧ-инфекции связана с наличием в генотипе некоторых рецессивных генов, например, ССR и SRF. Частота рецессивного аллеля ССR-5 в русской популяции составляет 0,25%, а аллеля SRF – 0,05%. В казахской популяции частота этих аллелей соответственно – 0,12% и 0,1%. Рассчитайте частоты организмов, имеющих повышенную устойчивость к ВИЧ-инфекции, в каждой из популяций. Полесский государственный университет 314 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 17 ТЕМА: Изменение генетической структуры популяций. Элементарные процессы эволюции (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить изменение популяций; элементарные процессы эволюции. генетической структуры П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Члены одной популяции оказывают друг на друга не меньшее воздействие, чем физические факторы среды или другие обитающие совместно виды организмов. В популяциях проявляются в той или иной степени все формы связей, характерные для межвидовых отношений, но наиболее ярко выражены мутуалистические (взаимно выгодные) и конкурентные. Популяции могут быть монолитными или состоять из группировок субпопуляционного уровня - семей, кланов, стад, стай и т.п. Объединение организмов одного вида в популяцию создает качественно новые свойства. По сравнению со временем жизни отдельного организма популяция может существовать очень долго. Вместе с тем популяция обладает сходством с организмом как биосистемой, так как имеет определенную структуру, целостность, генетическую программу самовоспроизведения, способность к авторе гуляции и адаптации. Взаимодействие людей с видами организмов, находящихся в среде, в природном окружении или под хозяйственным контролем человека, опосредуется обычно через популяции. Важно, что многие закономерности популяционной экологии относятся и к популяциям человека. Популяция является генетической единицей вида, изменения которой осуществляет эволюция вида. Как группа совместно обитающих особей одного вида, популяция выступает первой надорганизменной биологической макросистемой. У популяции приспособительные возможности значительно выше, чем у составляющих ее индивидов. Популяция как биологическая единица обладает определенными структурой и функциями. Структура популяции характеризуется составляющими ее особями и их распределением в пространстве. Функции популяции аналогичны функциям других биологических систем. Им свойствен рост, развитие, способность поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях, т.е. популяции обладают конкретными генетическими и экологическими характеристиками. В популяциях действуют законы, позволяющие таким образом использовать ограниченные ресурсы среды, чтобы обеспечить оставление потомства. Популяции многих видов обладают свойствами, позволяющими им регулировать свою численность. Поддержание оптимальной в данных Полесский государственный университет 315 Генетика с основами биометрии условиях численности называют гомеостазом популяции. Условия действия закона Харди - Вайнберга в природе, как правило, не соблюдаются. Под влиянием внешних факторов частота аллелей постоянно меняется, и без этого невозможно элементарное эволюционное явление. Для эволюции необходимо наличие факторов, поставляющих в популяции эволюционный материал: 1. Наследственная изменчивость (мутационный процесс); 2. Популяционные волны (дрейф генов); 3. Изоляция; 4. Естественный отбор. ес ГУ Важное значение для эволюции имеют факторы, обеспечивающие возникновение барьеров, препятствующих скрещиванию, – это различные формы изоляции, нарушающие панмиксию и закрепляющие любые различия в наборах генотипов в разных популяциях. Панмиксия – свободное скрещивание разнополых особей в популяции. Наконец, необходимо наличие естественного отбора фактора, направляющего эволюционный процесс. Все эти факторы оказывают давление на популяцию, приводят к возникновению элементарного эволюционного явления. П ол ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Нарисуйте схему возникновения элементарного эволюционного явления при искусственном отборе по числу абдоминальных щетинок в эксперименте с Drosophila melanogaster. Пунктир – линия без отбора; а – вымерла из-за стерильности потомства. Отбор на увеличение (1) и уменьшение (2) числа щетинок в течение 30 поколений привел к возникновению линий с разными признаками (разным числом щетинок, I-III). Полесский государственный университет 316 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 18 ТЕМА: Генетика человека (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить методы медицинской генетики. Уметь выявлять соотносительную роль генетических и средовых факторов в формировании признака. Знать основы генетики популяций, уметь рассчитать частоты генов и генотипов в популяции. Изучить современные методы молекулярной генетики. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Медицинская генетика как наука базируется на ряде принципиальных положений, раскрывающих суть проблемы наследственных болезней человека, и принятых в настоящее время как аксиомы: наследственные болезни являются частью общей наследственной изменчивости человека. Нет резкой границы между наследственной изменчивостью, ведущей к изменению нормальных признаков, и изменчивостью приводящей к возникновению наследственных болезней; в развитии наследственных признаков или болезней принимают участие наследственная конституция и внешняя среда. При этом для развития одних признаков или болезней определяющую роль играет наследственность, а для других существенное значение имеет внешняя среда, но нет таких признаков, которые зависели бы только от наследственности или только от среды; наследственная отягощенность современного человечества состоит из накопленных в процессе эволюции патологических мутации и из вновь возникающих наследственных изменений в половых клетках. Количественный объем вновь возникающих мутаций может увеличиться под влиянием мутагенных факторов среды (ионизирующая радиация, химические вещества и другие воздействия); среда обитания человека продолжает изменяться. Расширился круг потенциальных брачных партнеров, широких масштабов достигла миграция населения, увеличивается мутагенная нагрузка – все это меняет генетическую структуру популяций человека и приводит к появлению новых видов наследственной патологии – экогенетических болезней; прогресс медицины и общества приводит к увеличению продолжительности жизни больных с наследственными болезнями, восстановлению у них репродуктивной функции и, следовательно, к увеличению их числа в популяции. Больной или носитель патологического задатка – полноправный член общества и имеет равные права со здоровым человеком. Современная медицина обладает большими возможностями в диагностике, лечении и профилактике наследственных болезней, а в будущем будет обладать еще большими. Полесский государственный университет 317 Генетика с основами биометрии Генотерапия – совокупность генноинженерных (биотехнологических) и медицинских методов, направленных на внесение изменений в генетический аппарат соматических клеток человека в целях лечения заболеваний. ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Изучите и перепишите таблицу: Таблица 1. – Методы генетики человека 3. Близнецовый 4.Популяционностатистический Определение частот встречаемости аллелей и генотипов в популяции, изучение генетической структуры популяции. Оценка распространения наследственных болезней в популяциях человека Изучение наследственных заболеваний, обусловленных генными мутациями. Обнаружение дефектов ферментов, структурных и транспортных белков, вызывающих врожденные болезни обмена веществ П ол 5. Биохимический Оценка наследственной обусловленности признака, определение характера и типа наследования, прогнозирование заболеваний потомства, изучение интенсивности мутационного процесса, экспрессивности и пенетрантности аллеля Изучение кариотипа человека в норме и патологии, строения отдельных хромосом, полового хроматина. Диагностика хромосомных болезней, связанных с изменением числа и структуры хромосом. Экспрессметод определения полового хроматина, показывающего изменение числа половых хромосом Изучение закономерностей наследования в парах одно- и разнояйцовых близнецов. Определение соотносительной роли наследственности и среды в формировании признака или заболевания. Выявление пенетрантности аллеля, оценка действия на организм внешних факторов ГУ 2. Цитогенетический Цель и возможности метода ес Методы генетики человека 1. Генеалогический 6. Дерматоглифика Изучение кожных узоров пальцев и ладоней для диагностики хромосомных болезней 7. Метод генетики Изучение наследственности и изменчивости соматических клеток, регуляции соматических клеток генной активности, патогенеза на клеточном уровне. Определение локализации и механизмов действия генов, групп сцепления генов 8. Иммунологический Изучение генов, отвечающих за болезни иммунной системы, тканевую совместимость, эритроцитарные факторы групп крови (АВ0; резус-фактор и др.) 9. Методы Изучение механизмов развития наследственных болезней у человека с помощью мутантных линий животных, имеющих сходные нарушения 10. Клонирование Получение клонов клеток, тканей, органов, организмов из соматических клеток. Представляет возможность использования стволовых эмбриональных клеток в качестве материала для трансплантации. Является основой биологического конструирования на уровне отдельных тканей, органов и организмов 11.МолекулярногенеИзучение последовательности нуклеотидов в ДНК (секвенирование); тические методы. картирование генов, идентификация мутаций; гибридизация с ДНК-зондами и Генная инженерия возможность диагностики наследственных заболеваний; создание геномных библиотек; получение рекомбинантных ДНК Полесский государственный университет 318 Генетика с основами биометрии Задание 2. Изучите и перепишите таблицу Таблица 2. – Хромосомные болезни Кариотип Наиболее характерные клинические проявления Моносомии Синдром Шерешевского45, X0 Фенотип женский. Низкий рост. Короткая шея со Тернера складками кожи, идущими от затылка («шея» сфинкса), деформированные ушные раковины, уменьшенный подбородок. Отсутствие или недоразвитие половых признаков, пороки внутренних органов (особенно часто - почек) Трисомии Синдром Патау 47, 13+ Множественные уродства: микроцефалия, (трисомия 13) аномалии глазного яблока, незаращение губы и нѐба, полидактилия. Врожденные пороки внутренних органов: сердца, почек, желудочнокишечного тракта. Гибель в первые недели или месяцы Синдром Эдвардса 47, 18+ Голова, расширяющаяся к затылку. Низко (трисомия 18) расположенные деформированные уши, недоразвитие нижней челюсти. Пороки внутренних органов. Смерть наступает в 2-3 мес жизни Синдром Дауна 47, 21+ Невысокий рост, небольшая круглая голова со (трисомия 21) скошенным затылком, близко расположенные глаза, эпикант, короткий широкий нос, полуоткрытый рот с высунутым языком. Слабоумие. Пороки внутренних органов, особенно часто нарушения сердечно-сосудистой системы Синдром Трипло-X 47, XXX Состояние, пограничное между нормой и патологией. Часто отмечается недоразвитие яичников, матки, бесплодие. Незначительное снижение интеллекта Синдром Кляйнфельтера 47, XXY Мужской фенотип. Высокий рост, евнухоидные пропорции тела, строение скелета по женскому типу, гинекомастия. Недоразвитие половых органов, бесплодие Синдромы, обусловленные делециями хромосом Синдром Вольфа (делеция 46, 4pНизко расположенные деформированные уши, короткого плеча 4 хромосомы аномалии губы и нѐба, широкий уплощенный нос. Задержка умственного и физического развития. Врожденные пороки внутренних органов Синдром «кошачьего 46, 5pНазвание от специфического плача детей, крика» (делеция короткого обусловленного аномалией гортани. Луноподобное плеча 5 хромосомы) лицо, эпикант, маленькая челюсть, низко расположенные уши. Задержка умственного развития. Пороки мозга, сердца, почек, крипторхизм Хронический 46, 21q-46, Нарушено кроветворение. Аномалия отмечается в миелолейкоз (делеция длинного 22qлинии кроветворных клеток, другие соматические плеча 21-й или 22-й хромосомы) клетки больного имеют нормальный кариотип П ол ес ГУ Хромосомные болезни Полесский государственный университет 319 Генетика с основами биометрии ес ГУ Задание 3. Изучите распространение некоторых менделирующих признаков в популяции человека. Подсчитайте число студентов в группе: 1) способных складывать язык трубочкой (аутосомно-доминантный признак) и не способных складывать язык трубочкой (аутосомно-рецессивный признак); 2) имеющих свободную мочку уха (аутосомно-доминантный признак) и приросшую мочку уха (аутосомно-рецессивный признак). Полученные данные внесите в таблицу и с учетом некоторых допущений рассчитайте генетический состав популяций. Таблица 3. – Распространение некоторых менделирующих признаков в популяции человека Признаки Число p2 2pq q2 особей Складывание языка трубочкой Неспособность к складыванию Свободное прикрепление мочки уха Приросшая мочка уха П ол Задание 4. Решите задачи. Задача 1. В популяциях людей, населяющих Европу, на 40 000 человек встречается 1 альбинос. Определите генетическую структуру популяции, если известно, что альбинизм - рецессивный признак. Задача 2. Рахит витамин-Б-зависимый сопровождается типичными для рахита признаками, а также задержкой прорезывания зубов, гипоплазией эмали и ранним кариесом. Наследование аутосомно-рецессивное. В одном из районов Канады частота встречаемости гена рахита очень высока и составляет 4/100. Вычислить частоту встречаемости гомо- и гетерозигот в этом районе. Задача 3. Таудентизм «бычий зуб» - аномалия развития зуба, характеризующаяся большой пульповой камерой. Наследование аутосомнодоминантное. В одной из стран Европы заболевание встречается с частотой 1%. Определите возможное количество людей, гомозиготных по рецессивному гену, в городе, включающем 10 000 жителей. Задача 4. При несоответствии генотипов матери и плода по группе крови (мать - Rh-, плод - Rh+) у новорожденных может проявиться тяжелая гемолитическая болезнь, связанная с разрушением эритроцитов и приводящая к гибели. Рассчитайте частоту гомо- и гетерозигот Rh+, если известно, что Rhлица встречаются с частотой, близкой к 16%, и вычислите частоту резусконфликтных беременностей в панмиксической популяции. Полесский государственный университет 320 Генетика с основами биометрии Задача 5. Врожденный вывих бедра наследуется доминантно, средняя пенетрантность 25%, заболевание встречается с частотой 6 : 10 000. Определите число гомозигот по рецессивному гену. ГУ Задание 5. Изучите близнецовый метод в генетических исследованиях. Близнецовые исследования включают определение конкордантности пар и коэффициента наследуемости, показывающего соотносительную роль генетических и средовых факторов в развитии признака. Конкордантность (С) - показатель идентичности близнецовой пары по определенному признаку, вычисляется по формуле: ес где: CMZ - конкордантность в парах монозиготных близнецов; CDZ конкордантность в парах дизиготных близнецов; n - число пар близнецов соответствующей группы, у которых признак отмечен у обоих партнеров; N общее число обследуемых близнецовых пар этой же группы. Используя данные таблицы (см. ниже), вычислите коэффициент наследуемости (Н) по формуле Хольцингера для приведенных в таблице признаков: П ол При Н > 0,7 - решающая роль в проявлении признака принадлежит наследственным факторам; при Н=0,3-0,7 - на проявление признака оказывают влияние как наследственные, так и средовые факторы; при Н < 0,3 - основная роль принадлежит факторам внешней среды. Перепишите таблицу и укажите, какой из факторов - наследственный или средовой - играет решающую роль в проявлении каждого из перечисленных признаков. Признаки или заболевания Цвет глаз Форма носа Папиллярные линии Корь Туберкулез Сахарный диабет Шизофрения Расщелины губы и неба Конкордантность (в %) Монозиготные Дзиготные близнецы (MZ) близнецы (DZ) 100 100 92 28 30 40 95 76 69 65 30 87 28 18 10 5 Полесский государственный университет H Фактор, определяющий проявление признака (наследственность или среда) 321 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 19 ТЕМА: Генетические основы селекции (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить мутационную и комбинативную изменчивость, ее роль в селекционном процессе; научиться решать задачи на определение степени инбридинга и проявление гетерозиса. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Материалом для естественного отбора служит наследственная изменчивость, а источником наследственной изменчивости являются мутации – наследуемые изменения генетического материала. Мутагенез – процесс возникновения мутаций. Условно мутагенез делят на спонтанный (естественный) и индуцированный (искусственный). Мутации, возникающие в эксперименте под влиянием специальных воздействий (ионизирующей радиации, химических веществ, температуры и др.), называют индуцированными мутациями. А в тех случаях, когда мутации возникают под влиянием обычных природных факторов внешней среды или в результате физиологических и биохимических изменений в самом организме, их относят к спонтанным мутациям, хотя принципиальных различий между спонтанными и индуцированными мутациями нет. Существующие в настоящее время породы – результат спонтанного мутагенеза и длительного отбора. На основе искусственного отбора спонтанных мутаций и их комбинаций путем скрещиваний при соответствующих условиях кормления и содержания человек получил в ряду многих сотен поколений новые формы животных и растений. Пример этому – создание «сладкого» люпина, ценного кормового растения. Все виды люпина содержат горький алкалоид и непригодны на корм скоту. В результате длительного поиска была обнаружена мутация растений с безалкалоидными семенами, но семена высыпались до уборки. Дальнейший поиск позволил обнаружить мутантную форму, у которой не высыпались семена, но у такого растения опадали бобы. Полиплоидия – геномная мутация, приводящая к увеличению числа хромосом в клетке, кратномугаплоидному (3n, 4n, 6n). Автополиплоидия (кратное гаплоидному увеличение числа хромосом одного вида) приводит к увеличению размеров всего растения в целом, повышает общую его жизнеспособность и устойчивость к патогенным организмам по сравнению с диплоидным растением. Хорошие результаты дает также использование в селекции явления алло-полиплоидии, в основе которого лежит скрещивание организмов разных видов и даже родов. Например, широкое применение в сельскохозяйственном производстве республики получили межвидовые полиплоидные гибриды ржи и пшеницы, называемые тритикале. Они Полесский государственный университет 322 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ обладают высокой урожайностью, устойчивостью ко многим опасным болезням. Наследственная изменчивость усиливается благодаря комбинативной изменчивости. Возникнув, отдельные мутации оказываются в соседстве с другими мутациями, входят в состав новых генотипов, т.е. возникает множество сочетаний аллелей. Любая особь генетически уникальна (за исключением однояйцевых близнецов и особей, возникших за счет бесполого размножения клона, имеющего родоначальником одну клетку). Так, если допустить, что в каждой паре гомологичных хромосом имеется только одна пара аллельных генов, то для человека, у которого гаплоидный набор хромосом равен 23, число возможных генотипов составит 3 в 23 степени. Такое огромное количество генотипов в 20 раз превышает численность всех людей на Земле. Однако в действительности гомологичные хромосомы различаются по нескольким генам и в расчете не учтено явление кроссинговера. Поэтому количество возможных генотипов выражается астрономическим числом, и можно с уверенностью утверждать, что возникновение двух одинаковых людей практически невероятно (за исключением однояйцевых близнецов, возникших из одной оплодотворенной яйцеклетки). Отсюда, в частности, следует возможность достоверного определения личности по остаткам живых тканей, подтверждения или исключения отцовства. Таким образом, обмен генами вследствие перекреста хромосом в первом делении мейоза, независимая и случайная перекомбинация хромосом в мейозе и случайность слияния гамет в половом процессе – три фактора, обеспечивающие существование комбинативной изменчивости. Трансгрессия – усиленное (или ослабленное) проявление какого-либо генетического признака у потомства по сравнению с родительскими особями. Наблюдается в тех случаях, когда количественное проявление какого-либо признака связано с функционированием двух и более генов. Гибридизация – процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке. Инбридинг – форма гомогамии, скрещивание близкородственных форм в пределах одной популяции организмов (животных или растений). Потомство, которое получено в результате инбридинга, называется инбредным. Скрещивание неродственных форм называется аутбридингом. Инбридинг применяют для перевода в гомозиготное состояние ценных генов выдающихся животных и закрепление желательных признаков. В зависимости от ряда предков по классификации Пуша различают следующие степени инбридинга: Кровосмешение – 25% I-II, II-I, II-II, I-III, III-I Полесский государственный университет 323 Генетика с основами биометрии Близкий – 12,5-25% III-II, II-III, III-III, I-IV, IV-I Умеренный – 1,55-12,5% I-V, II-IV, II-IV, III-IV, III-IV, IV-IV, IV-V Отдаленный – 0,2-1,55% V-V М Ветка ОМ Пилот МОМ ООО Лара Пилот О Великан МО Гроза ММО ОМО Дива Ветер ОО Гамлет МОО ООО Заря Луч П ол ММ Роза ОММ МММ Лоза Гром ес ГУ Если общий предок встречается дальше V поколения, то особи считаются неродственными. Гетерозис (в переводе с греческого языка – изменение, превращение) – увеличение жизнеспособности гибридов вследствие унаследования определѐнного набора аллелей различных генов от своих разнородных родителей. При оценке инбридинга по А. Шапоружу-Пушу учитываются ряды родословной, в которых встречается общий предок, начиная с первого ряда. Запись проводят римскими цифрами, начиная с материнской стороны родословной. Цифры, показывающие ряды повторяющихся предков, в каждой стороне родословной разделяют запятыми, а построение в обоих рядах родословной – тире. Родословная коровы Волна По Шапоружу-Пушу: Пилот – II-III, близкородственный инбридинг. Также степень инбридинга можно определить, используя формулу, предложенную С. Райтом: Fx = [∑(1/2)n+n1-1(1+fa)]×100, где:Fx – коэффициент инбридинга; ∑ - сумма коэффициентов инбридинга на разных общих предков; n – ряд предков со стороны отца; n1 – ряд предков со стороны матери; (1+fa) – коэффициент инбридинга для общего предка, если он получен инбридингом. По Райту-Кисловскому: (1/2)3+3-1 + (1/2)2+3-1 = 0,09375 = 9,37% умеренный. Полесский государственный университет 324 Генетика с основами биометрии При расчетах для возведения ½ в степень используйте: ½2 = 0,25 ½5 = 0,03125 ½3= 0,125 ½6 = 0,0156 ½4= 0,0625 ½7 = 0,00781 ½8 = 0,0039 ½9 = 0,00195 ½10 = 0,00097 П ол ес ГУ ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Определить степень инбридинга по А. Шапоружу-Пушу и С. Райту-Кисловскому по индивидуальным заданиям. Сделать выводы. Полесский государственный университет 325 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 20 ТЕМА: Применение метода 2 для анализа полученных данных (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: научиться применять метод данных. 2 для анализа полученных ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Расчет критерия хи-квадрат. Сам критерий хи-квадрат обозначается греческой буквой χ2. Суть критерия заключается в том, что он сравнивает ожидаемые частоты появления каких-то событий и фактические частоты появления этих событий. Фактические частоты, которые иногда называют наблюдаемые частоты, принято обозначать буквой fo (поскольку f – это начальная буква в слове «frequencies», т. е. частоты, а значок «о» внизу относится к слову «observe», что значит «наблюдать»). Ожидаемые частоты обозначаются буквой fe (значок «е» внизу относится к слову «expect», что значит «ожидать»). Формула расчета критерия: П ол Предположим синоптики, занимающиеся предсказанием погоды, составили прогноз того, сколько раз ожидаются те или иные природные явления (дождь, снег и др.) в каждом месяце года в нашем регионе. Потом записали, сколько по факту произошло этих явлений в каждом из двенадцати месяцев. Естественно, количество ожидаемых явлений и количество состоявшихся явлений не совпало точно, причем в каждом месяце эти разногласия носили разный характер: в каких-то месяцах различия оказались заметными, а в каких-то – незначительными. Предположим, что руководство синоптической службы решило оценить, можно ли считать расхождения в ожидаемых и реальных частотах появления природных феноменов существенными. На языке статистики это означало проверить расхождения в ожидаемых и реальных частотах на достоверность различий. Сейчас мы рассмотрим метод, с помощью которого можно ответить на данный вопрос. Чтобы определить, являются ли различия в частотах фактических и ожидаемых достоверными, нужно сравнить значение χ2эксп с критическим значением этого критерия – χ2крит по соответствующей таблице. Полесский государственный университет 326 Генетика с основами биометрии Таблица 1. – Доверительные границы критерия хи-квадрат с К степенями свободы для двух уровней значимости P. Р (1%) 6,63 9,21 11,3 13,3 15,1 16,8 18,5 20,1 21,7 23,2 24,7 26,2 17,2 29,1 30,6 32,0 33,4 34,8 36,2 37,6 38,9 40,3 41,6 43,0 44,3 К Р (5%) 38,9 40,1 41,3 42,6 43,8 45,0 46,2 47,4 48,6 49,8 51,0 52,2 53,4 54,6 55,8 56,9 58,1 59,3 60,5 61,7 62,8 64,0 65,2 66,3 67,5 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 ГУ Р (5%) 3,84 5,99 7,81 9,49 11,1 12,6 14,1 15,5 16,9 18,3 19,7 21,0 22,4 23,7 25,0 26,3 27,6 28,9 30,1 31,4 32,7 33,9 35,2 36,4 37,7 П ол ес К 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Р (1%) 45,6 47,0 48,3 49,6 50,9 52,2 53,5 54,8 56,1 57,3 58,6 59,9 61,2 62,4 63,7 65,0 66,2 67,5 68,7 70,0 71,2 72,4 73,7 74,9 76,2 ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Оценить, насколько хорошо работает метеослужба какого-то региона, данные которой используются аэропортами для планирования полетов. В первом столбце приведенной ниже таблицы указаны дни с различными природными явлениями (снег, дождь и т.п.), в следующем столбце – наблюдавшаяся по факту частота появления этих дней в течение одного из зимних месяцев и прогнозируемая (ожидавшаяся) метеослужбой частота этих явлений. Природное явление Условный код явления Наблюдавшаяся частота fo Ожидаемая частота fe Солнечно «1» 12 14 Дождь «2» 11 8 Снег «3» 8 5 Ветер «4» 20 17 Полесский государственный университет Их разница (fo — fe) 327 Генетика с основами биометрии Высокое давление «5» 10 16 Низкое давление «6» 14 14 Магнитная буря «7» 9 10 ГУ Задание 2. Предположим, у нас имеются результаты контрольных работ двух групп учащихся. Ученики из класса «А» писали контрольную работу первыми и дали определенные результаты. Затем контрольную работу предстояло писать ученикам из класса «Б». Учителя вполне могли рассматривать результаты работы, полученные в классе «А», в качестве потенциально ожидаемых и для другого класса – «Б». Но класс «Б» показал несколько иные результаты. Встал вопрос: можно ли признать, что результаты класса «Б» существенно отличаются от результатов класса «А»? В классе «Б» (fo – наблюдаемые частоты) В классе «А» (fe– ожидаемые частоты) «1» 3 2 «2» «3» «4» 8 4 10 12 7 8 7 6 П ол «5» ес Оценки за работу Полесский государственный университет 328 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 21 ТЕМА: Статистический анализ модификационной изменчивости (4 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить основные понятия статистического анализа модификационной изменчивости; научиться строить вариационный ряд и вычислять основные показатели большой выборки. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Большинство модификаций не наследуется. Однако известны и длительные модификационные изменения, сохраняющиеся и в следующем поколении (иногда даже в нескольких поколениях). Каков может быть их механизм? Как могут сохраняться на протяжении нескольких поколений изменения, которые обусловлены воздействием внешней. Рассмотрим один из возможных вариантов механизма такой длительной модификации. Вспомним, что в оперонах бактерий, кроме структурных генов, есть особые участки - промотор и оператор. Оператор – участок ДНК, который находится между промотором и структурными генами. Оператор может быть связан с особым белком репрессором, который не дает двигаться РНК-полимеразе по цепи ДНК и препятствует синтезу ферментов. Таким образом, гены могут включаться и выключаться в зависимости от наличия в клетке соответствующих белковрепрессоров. Представим себе два таких оперона, у которых один из структурных генов первого оперона кодирует белок-репрессор для второго оперона, а один из структурных генов второго оперона кодирует белокрепрессор для первого оперона. Если включен первый оперон, то заблокирован второй, и наоборот. Такое устройство с двумя состояниями называется триггером. Представим себе, что какие-то воздействия внешней среды переключили триггер из первого состояния во второе. Тогда это состояние может наследоваться. В яйцеклетке будут находиться белки-репрессоры, которые не дают триггеру переключаться. Однако при изменении условий среды, проникновении в клетку каких-то веществ, которые уберут белок-репрессор, триггер переключится из второго состояния в первое. Такой механизм длительной модификации не является придуманным, он существует, например, у некоторых фагов. Если фаги попадают в клетку, где для них мало питательных веществ, они находятся в одном состоянии - не размножаются, а только передаются при делении клетки в дочерние. Если же в клетке возникнут благоприятные условия, фаги начинают размножаться, разрушают клетку-хозяина и выходят из нее в окружающую среду. Переключение фагов из одного состояния в другое осуществляется с помощью Полесский государственный университет 329 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ молекулярного триггера. Различают качественные и количественные признаки организмов. Примеры качественных признаков - цвет глаз, волос, масть животных, окраска семян и т. д. Примеры количественных признаков - рост и масса тела, жирность молока, удойность коров, яйценоскость кур, число колосков в колосе пшеницы или ржи и т. д. Количественные признаки в отличие от качественных можно хорошо измерить и выразить в четко отличаемых величинах – вариантах. Варианта – отдельное значение изучаемого количественного признака. Для характеристики количественных признаков применяются статистические методы – построение вариационного ряда и вариационной кривой. Вариационный ряд – ряд изменчивости признака, слагающийся из отдельных вариант, расположенных в порядке от меньших величин к большим – в порядке нарастания. Вариационная кривая – графическое выражение изменчивости признака, отражающее как размах вариаций, так и частоты встречаемости отдельных вариант. Среднее квадратичное отклонение – это квадратный корень из среднего арифметического всех квадратов разностей между данными величинами и их средним арифметическим. Среднее квадратичное отклонение принято обозначать греческой буквой сигма σ. Правило трѐх сигм (3σ) – практически все значения нормально распределѐнной случайной величины лежат в интервале (Х-3σ; Х+3σ) . Более строго – приблизительно с вероятностью 0,9973 значение нормально распределѐнной случайной величины лежит в указанном интервале (при условии, что величина Х истинная, а не полученная в результате обработки выборки). Коэффициент вариации (Сv) – это отношение среднего квадратического отклонения к средней арифметической, выраженное в %. Коэффициент вариации используется не только для сравнительной оценки единиц совокупности, но и также для характеристики однородности совокупности. Совокупность считается однородной, если коэффициент вариации не превышает 33%. Величина отклонения выборочной средней от ее генерального параметра называется статистической стандартной ошибкой выборочного среднего арифметического. Иногда этот показатель называется просто ошибкой средней (m). ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Построить вариационный ряд и вычислить основные показатели большой выборки (n > 30). Полесский государственный университет 330 Генетика с основами биометрии ГУ Выполнение задания 1. В группе случайно отобранных животных, представленных в задании, найти максимальное (max.) и минимальное (min.) значение вариант. 2. Найти разницу между этими величинами (лимит). 3. Определить число классов вариационного ряда. Рекомендуется брать при следующем числе вариант: 25-40, 40-60, 60-100, 100-200, соответственно следующее число классов – 6, 6-8, 7-10, 8-12. 4. Найти величину классного промежутка (К), которая определяется следующим образом: К= Например, К = Классы fa fa2 Σn Σ fa Σ fa2 Разноска Частоты f П ол № ес Полученное число (383) округляют в большую сторону до целого (К= 400). 5. По прилагаемой форме построить классы вариационного ряда. В начале первого класса записывается округленное минимальное (3100) значение признака. К этой величине прибавляется классный промежуток (К) – получается начало второго класса (3500). Конец первого класса получают путем уменьшения на 1; 0,1 или 0,01 начало второго класса. Отклонения a п/п 13100-3499 23500-3899 33900-4299 44300-4299 и т.д. Так строят классы до тех пор, пока в последний класс сможет попасть животное с максимальной величиной признака. 6. Разнести животных по классам в соответствии с величиной их признака. Для этого просматриваем величины признака по порядку, начиная с первой. Находим класс, в который должна входить величина. В соответствующем классе ставят об этом отметку: . – одна, : -две, : -три, :: -четыре, :: -пять, : : -шесть, : : -семь, : : -восемь, : : -девять, : : -десять и т.д. Затем значки переводят в цифры. 7. В колонке, обозначенной буквой f ставится число животных в каждом классе. Полесский государственный университет 331 Генетика с основами биометрии ∑ , где ес δ=±√ ГУ 8. Определить класс условной средней (А). Это класс в середине ряда или близкий к нему, но с максимальным числом животных. Его обозначают 0 (ноль). Ставят это значение в колонке «а», (а – отклонение от условной средней). Верхние от нуля классы нумеруют по порядку от 1 и выше с отрицательным знаком, вниз от 1 и ниже с положительным знаком. А – среднее значение нулевого класса (начало класса плюс половина классного промежутка). 9. Найти значение произведений fа в каждом классе. 10. Найти сумму произведений – Σ fа с учетом знака + или – (колонка обозначена fа). 11. В колонке, обозначенной fа2 , найти по каждому классу произведение fа на а. 12. Найти сумму произведений - Σ fа2. 13. Найти значение средней арифметической пользуясь формулой: ∑ Х= 14. Определить среднее квадратическое (δ) по формуле: ∑ - сумма разности квадратов между каждым показателем и средней арифметической величиной (сумма квадратов отклонений); n - объем выборки (число измерений или испытуемых). Если число измерений не более 30, т.е. n≤30, используется формула: ∑ П ол δ=±√ 15. Определить коэффициент вариации (Сv) по формуле: Cv = 16. Определить ошибку средней арифметической по формуле: m= ± Выполнение задания: п/п Значение признака Х Хi-X (Хi-X)2 Σn= Σ Хi-X= Σ(Хi-X)2= А= Х= δ = Cv = Выводы: Полесский государственный университет 332 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 22 ТЕМА: Корреляционная зависимость. Коэффициент корреляции (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить корреляционную зависимость, основные понятия и формулы для расчета коэффициента корреляции, рассчитать коэффициент корреляции между двумя переменными. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Корреляция (от лат. correlatio), корреляционная зависимость – взаимозависимость двух или нескольких случайных величин. Суть ее заключается в том, что при изменении значения одной переменной происходит закономерное изменение (уменьшению или увеличению) другой(их) переменной(-ых). При расчете корреляций пытаются определить, существует ли статистически достоверная связь между двумя или несколькими переменными в одной или нескольких выборках. Например, взаимосвязь между ростом и весом детей, взаимосвязь между успеваемостью и результатами выполнения теста IQ, между стажем работы и производительностью труда. Важно понимать, что корреляционная зависимость отражает только взаимосвязь между переменными и не говорит о причинноследственных связях. Например, если бы исследуемой выборке между ростом и весом человека существовала корреляционная зависимость то, это не значило бы, что вес является причиной роста человека, иначе сбрасывая лишние килограммы рост человека также уменьшался. Корреляционная связь лишь говорит о взаимосвязанности данных параметров, причем в данной конкретной выборке, в другой выборке мы можем не наблюдать полученные корреляции. Показатель корреляции. Коэффициент корреляции (r) характеризует величину отражающую степень взаимосвязи двух переменных между собой. Он может варьировать в пределах от -1 (отрицательная корреляция) до +1 (положительная корреляция). Если коэффициент корреляции равен 0 то, это говорит об отсутствии корреляционных связей между переменными. Причем если коэффициент корреляции ближе к 1 (или -1) то говориться о сильной корреляции, а если ближе к 0, то о слабой. При положительной корреляции увеличение (или уменьшение) значений одной переменной ведет к закономерному увеличению (или уменьшению) другой переменной т.е. взаимосвязи типа увеличениеувеличение (уменьшение-уменьшение). Полесский государственный университет 333 Генетика с основами биометрии При отрицательной корреляции увеличение (или уменьшение) значений одной переменной ведет к закономерному уменьшению (или увеличению) другой переменной т.е. взаимосвязи типа увеличениеуменьшение (уменьшение-увеличение). Корреляция (синонимы): соотношение, соотнесение, взаимосвязь, взаимозависимость, взаимообусловленность, взаимосоответствие. Например, измеряем рост и вес человека, каждое измерение представлено точкой в двумерном пространстве: ес ГУ Положительная корреляция П ол Несмотря на то, что величины носят случайный характер, в общем наблюдается некоторая зависимость – величины коррелируют. В данном случае это положительная корреляция (при увеличении одного параметра второй тоже увеличивается). Возможны также такие случаи: Отрицательная корреляция Отсутствие корреляции Методами корреляционного анализа решаются следующие задачи: 1) Взаимосвязь. Есть ли взаимосвязь между параметрами? 2) Прогнозирование. Если известно поведение одного параметра, то Полесский государственный университет 334 Генетика с основами биометрии можно предсказать поведение другого параметра, коррелирующего с первым. 3) Классификация и идентификация объектов. Корреляционный анализ помогает подобрать набор независимых признаков для классификации. П ол ес ГУ ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Определите взаимосвязь двух переменных: агрессивности и IQ у школьников по полученным данным тестирования. № Данные по агрессивности Данные по IQ (YIQ) (Xagr) 1 24 100 2 27 115 3 26 117 4 21 119 5 20 134 6 31 94 7 26 105 8 22 103 9 20 111 10 18 124 11 30 122 12 29 109 13 24 110 14 26 86 1. Вычислить сумму значений Xagr и YIQ. 2. Вычислить среднее арифметическое для Xagr и YIQ. 3. Вычислить для каждого испытуемого отклонения от среднего арифметического для Xagr и YIQ. 4. Возвести в квадрат каждое отклонение. 5. Рассчитать сумму квадратов отклонений. 6. Рассчитать для каждого наблюдения произведение разности среднего арифметического и значения. 7. Рассчитать сумму (Xagr - Xagr среднее)×(XIQ – XIQ среднее). 8. Подставить полученные значения в формулу коэффициента корреляции Пирсона: r xy = ∑ ∑ – – где X – значения переменной X; Y – значения переменной Y; Xсреднее – среднее арифметическое для переменной X; Полесский государственный университет 335 Генетика с основами биометрии Yсреднее – среднее арифметическое для переменной Y. 9. Сделайте вывод в соответствии с таблицей значений величин коэффициента корреляции. Таблица1. – Анализ силы связи между переменными Значение Интерпретация очень слабая от 0,3 до 0,5 слабая от 0, 5 до 0,7 средняя от 0,7 до 0, 9 высокая от 0,9 до 1 очень высокая ГУ от 0 до 0,3 П ол ес При отрицательной корреляции значения силы связи между переменными меняют на противоположные. Полесский государственный университет 336 Генетика с основами биометрии Лабораторная работа № 23 ТЕМА: Дисперсный анализ. Тест Стьюдента. t-распределение (2 часа) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: научиться вычислять t-критерий Стьюдента для независимых выборок. П ол ес ГУ КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ: Дисперсионный анализ – метод в математической статистике, направленный на поиск зависимостей в экспериментальных данных путѐм исследования значимости различий в средних значениях. В отличие от tкритерия позволяет сравнивать средние значения трѐх и более групп. Разработан Р. Фишером для анализа результатов экспериментальных исследований. Простейшим случаем дисперсионного анализа является одномерный однофакторный анализ для двух или нескольких независимых групп, когда все группы объединены по одному признаку. В ходе анализа проверяется нулевая гипотеза о равенстве средних. При анализе двух групп дисперсионный анализ тождественен двухвыборочному t-критерию Стьюдента для независимых выборок, и величина F-статистики равна квадрату соответствующей tстатистики. Нулевая гипотеза – гипотеза, которая проверяется на согласованность с имеющимися выборочными (эмпирическими) данными. Часто в качестве нулевой гипотезы выступают гипотезы об отсутствии взаимосвязи или корреляции между исследуемыми переменными, об отсутствии различий (однородности) в распределениях (параметрах распределений) двух и/или более выборках. В стандартном научном подходе проверки гипотез исследователь пытается показать несостоятельность нулевой гипотезы, несогласованность еѐ с имеющимися опытными данными, то есть отвергнуть гипотезу. При этом подразумевается, что должна быть принята другая, альтернативная (конкурирующая), исключающая нулевую, гипотеза. Используется при статистической проверке. t-критерий Стьюдента – общее название для класса методов статистической проверки гипотез (статистических критериев), основанных на распределении Стьюдента. Наиболее частые случаи применения t-критерия связаны с проверкой равенства средних значений в двух выборках. t-статистика строится обычно по следующему общему принципу: в числителе случайная величина с нулевым математическим ожиданием (при выполнении нулевой гипотезы), а в знаменателе – выборочное стандартное отклонение этой случайной величины, получаемое как квадратный корень из Полесский государственный университет 337 Генетика с основами биометрии несмещенной оценки дисперсии. ХОД РАБОТЫ: Задание 1. Сравнить между собой результаты выполнения тестов на внимание в двух группах. Узнать, различаются ли группы между собой, и вычислить t-критерий Стьюдента для независимых выборок. ГУ Результаты группы №2 (сек.) 46 49 52 55 56 40 47 51 58 46 46 56 53 57 44 42 40 58 54 53 51 57 56 44 42 49 50 55 43 ес Результаты группы №1 (сек.) 30 45 31 38 34 36 31 30 49 50 51 46 41 37 36 34 33 49 32 46 41 44 38 50 37 39 40 46 42 П ол № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 1. Внесите данные в таблицу. 2. Рассчитать среднее арифметическое, стандартное отклонение и количество человек в каждой группе. 3. Вычисляем эмпирическое значения по формуле t-критерия Стьюдента для независимых выборок: t= √ √ Полесский государственный университет 338 Генетика с основами биометрии где М1 – среднее арифметическое первой выборки; М2 – среднее арифметическое второй выборки; δ1 – стандартное отклонение первой выборки; δ2 – стандартное отклонение второй выборки; N1 – объем первой выборки; N2 – объем второй выборки. t- П ол ес ГУ 4. Вычисляем степени свободы: df = N1+N2 - 2 5. Определяем по таблице критических значений Стьюдента уровень значимости. 6. Делаем вывод о наличии различий между группами. Полесский государственный университет 339 Генетика с основами биометрии Литература П ол ес ГУ 1. Асанов, А.Ю. Основы генетики: учебник для студ. учреждений высшего профессионального образования / А.Ю. Асанов, Н.С. Демикова, В.Е. Голимбет. – М.: «Академия», 2012. – 288 с.: ил. 2. Бакай, А.В. Генетика / А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко. – М.: Колос, 2007. – 448 с.: ил. 3. Бекиш, Р.В. Генетика с основами биометрии: учебно-методическое пособие по выполнению контрольных работ для студентов факультета заочного обучения по специальности 1-74 03 01 "Зоотехния" / Р. В. Бекиш, М. В. Красюк; УО "Витебская ордена "Знак почета" государственная академия ветеринарной медицины". – Витебск: ВГАВМ, 2008. – 28 с. 4. Бокуть, С.Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации / С.Б. Бокуть, Н.В. Герасимович, А.А. Милютин. – Мн.: Высш. шк., 2005. 5. Гайсинович, А.Е. Зарождение и развитие генетики / А.Е. Гайсинович. – М.: Наука, 1999. 6. Генетика: учебник / В. И. Иванов [и др.]; ред. В. И. Иванов. – М.: Академкнига, 2007. - 638 с. 7. Генетика: учебно-методическое пособие для студентов биотехнологического факультета / А. В. Вишневец [и др.]; УО "Витебская ордена "Знак почета" государственная академия ветеринарной медицины – Витебск: ВГАВМ, 2012. – 92 с. 8. Генетика: учебное пособие / А. А. Жученко. – М.: КолосС, 2006. – 480 с. 9. Ермишин, А.П. Биотехнология. Биобезопасность. Биоэтика / А.П. Ермишин, В.Е. Подлисских, Е.В. Воронова. – Мн.: Тэхналогiя, 2005. 10. Ефремова, В.В. Генетика: учебник / В. В. Ефремова, Ю. Т. Аистова. – Ростов н/Д: Феникс, 2010. – 248 с. 11. Жимулев, И.Ф. Общая и молекулярная генетика: учебное пособие / Ю. Д. Жимулев. - 4-е издание, стереотипное третьему. – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2007. – 479 с. 12. Зорина, З.А. Основы этологии и генетики поведения / З.А. Зорина, И.И. Полетаева, Ж.И. Резникова. – М.: Изд-во МГУ: Высш. шк., 2002. 13. Инге-Вечтомов, С.Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов высших учебных заведений / С. Г. Инге-Вечтомов. – 2-е изд. – СПб.: Издательство Н-Л, 2010. – 720 с. 14. Картель, Н.А. Генетика: энциклопедический словарь / Н. А. Картель, Е. Н. Макеева, А. М. Мезенко. – Минск: Беларуская навука, 2011. – 992 с. 15. Медицинская биология и общая генетика: учебник / Р.Г. Заяц [и др.]. – Минск: Выш. шк., 2011. – 496 с.: ил. Полесский государственный университет 340 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 16. Орлова, Н.Н. Генетический анализ: учебное пособие / Н. Н. Орлова. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 318 с. 17. Основы биометрии: учебно-методическое пособие для студентов биотехнологического факультета по специальности I-74 03 01 "Зоотехния" / Учреждение образования "Витебская ордена "Знак Почета" государственная академия ветеринарной медицины"; сост. А. В. Вишневец [и др.]. – Витебск: ВГАВМ, 2011. – 44 с. 18. Писарчик, Г.А. Сборник задач по генетике: пособие / Г. А. Писарчик, А. В. Писарчик. – 3-е изд. – Минск: АВЕРСЭВ, 2012. – 240 с. 19. Попов, В.В. Геномика с молекулярно-генетическими основами / В.В. Попов. – М.: Книжный дом «Либроком», 2014. – 304 с. 20. Пухальский, В.А. Ведение в генетику / В.А. Пухальский. – М.: КолосС, 2007. – 224 с.: ил. 21. Рубан, Э.Д. Генетика человека с основой медицинской генетики: учебник / Э.Д. Рубан. – Ростов н/Д.: Феникс, 2013. – 319 с. 22. Смиряев, А.В. Генетика популяций и количественных признаков: учебник / А. В. Смиряев, А.В. Кильчевский. - М.: КолосС, 2007. – 272 с. 23. Хедрик, Ф. Генетика популяций / Ф. Хедрик. – М.: Техносфера, 2003. Полесский государственный университет 341 Генетика с основами биометрии ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА П ол ес ГУ 1 Место дисциплины в системе подготовки специалиста Курс «Генетика с основами биометрии» является базовым для студентов 1-74 03 03 Промышленное рыбоводство и знакомит их с основными законами наследственности и изменчивости организмов. В курсе рассматриваются такие важные вопросы общей генетики как наследование признаков при моно-, ди-, и полигибридных скрещиваниях, цитологические основы наследственности и хромосомная теория наследственности. Наряду с этим большое внимание в курсе уделено проблемам современной генетики. Подробно рассматриваются вопросы тонкого строения генов и молекулярные механизмы наследственности и изменчивости генетического материала. Кроме того, курс включает такие разделы как описательная статистика, основы дисперсионного анализа, корреляционный анализ, так как современная биология давно перестала быть исключительно описательной наукой. Сегодня ее существование и развитие невозможно без использования методов и подходов такой области математики как статистика. В курсе подробно рассматриваются традиционные методы анализа данных. Большое количество часов в рамках курса отводится для практических работ, в ходе которых студенты приобретают навыки и умения статистической обработки данных при помощи персонального компьютера. Особое место в курсе отводится вопросам связи генетики с другими биологическими науками и той роли, которую играет сегодня генетика в развитии биотехнологии, медицины и охране окружающей среды. 2 Цели и задачи учебной дисциплины Цель курса – научить студентов применять полученные фундаментальные знания в области генетики в дальнейшей практической деятельности. Главная задача курса – ознакомление студентов с основами классической и современной генетики с учетом новейших достижений в области молекулярной генетики, биотехнологии и генетической инженерии. 3 Требования к уровню освоения учебной дисциплины В результате изучения дисциплины ‖Генетика с основами биометрии― студент должен закрепить и развить следующие академические (АК), социально-личностные (СЛК) и профессиональные (ПК) компетенции, предусмотренные в образовательном стандарте ОСВО 1–74 03 03–2013: а) академические: АК-1. Уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач. Полесский государственный университет 342 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ АК-2. Владеть системным и сравнительным анализом. АК-4. Уметь работать самостоятельно. АК-5. Быть способным порождать новые идеи (обладать креативностью). АК-6. Владеть междисциплинарным подходом при решении проблем. АК-7. Иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером. АК-8. Обладать навыками устной и письменной коммуникации. АК-9. Уметь учиться, повышать свою квалификацию в течение всей жизни. б) социально-личностные: СЛК-3. Обладать способностью к межличностным коммуникациям. СЛК-4. Владеть навыками здоровьесбережения. СЛК-5. Быть способным к критике и самокритике. СЛК-6. Уметь работать в команде. в) профессиональные: Производственно-технологическая деятельность ПК-2.рУчаствовать в оценке рыбохозяйственного значения и экологического состояния естественных и искусственных водоемов; ПК-7. Вести документацию полевых рыбохозяйственных наблюдений, экспериментальных и производственных работ; Организационно-управленческая деятельность ПК-10. Управлять технологическими процессами в аквакультуре, обеспечивающими выпуск продукции, отвечающей требованиям стандартов и рынка, организовать работу малых коллективов исполнителей; Научно-исследовательская деятельность ПК-16. Применять современные методы научных исследований в области водных биоресурсов и аквакультуры; ПК-18. Использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования; ПК-19. Участвовать в разработке биологического обоснования проектов рыбоводных заводов, нерестово-выростных хозяйств, товарных рыбоводных хозяйств; Профессионально-образовательная деятельность ПК-29. Заниматься преподавательской деятельностью специальных дисциплин. В результате изучения дисциплины обучаемый должен: знать: закономерности наследования признаков при моно-, ди- и полигибридных скрещиваниях; Полесский государственный университет 343 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ биологические основы размножения растений и животных; клеточные, хромосомные, генные и молекулярные механизмы наследственности; механизмы изменчивости генетического материала; закономерности онтогенеза; основы генетики человека и его наследственных заболеваний; генетические основы селекции; вопросы экологической и популяционной генетики; задачи и возможности клеточной и генетической инженерии; принципы создания трансгенных растений и животных; основные подходы генотерапии; уметь: проводить и анализировать генетический эксперимент; связывать данные генетики с достижениями цитологии, биологических основ размножения растений и животных, онтогенеза, эволюционной теории и селекции, а также с успехами в области биохимии нуклеиновых кислот, молекулярной биологии, микробиологии, вирусологии и иммунологии; использовать достижения генетики в решении задач селекции, медицины, экологии и биотехнологии, а также применять полученные данные в дальнейшей практической деятельности. Программа лабораторных занятий направлена на закрепление студентами теоритических положений лекционного курса в процессе решения генетических задач. Всего на изучение дисциплины по специальности 1-74 03 03 Промышленное рыбоводство отводится 300 часов, из них 118 аудиторные (50 – лекции, 86 – лабораторные). Формой итогового контроля знаний студентов является экзамен. Полесский государственный университет 344 Генетика с основами биометрии СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА П ол ес ГУ ТЕМА 1 ВВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГЕНЕТИКИ Предмет генетики. Понятие о наследственности и изменчивости. Место генетики в системе биологических наук. История развития генетики. Ее истоки. Первые представления о наследственности. Значение эволюционной теории Ч. Дарвина, успехов селекции, эмбриологии и цитологии в становлении генетики. Основные этапы развития современной генетики. Вклад в развитие генетики и селекции Н.И Вавилова, Н.К. Кольцова, И.В. Мичурина, Г.А. Надсона, Г.С. Филиппова, А.С. Серебровского, Ю.А. Филипченко, Г.Д. Карпеченко, С.С. Четверикова, С.Г. Навашина, М.Ф. Иванова, Б.Л. Астаурова, М.Е. Лобашева, М.П. Дубинина. Вклад белорусских ученых в развитие генетики и селекции. Методы генетики. Гибридологический анализ – основной метод гентики. Г. Мендель – основатель метода генетического анализа. Использование методов цитологии, биохимии, математики, эмбриологии и других наук в изучении генетических проблем. Основные разделы современной генетики: цитогенетика, молекулярная генетика, мутагенез, популяционная, эволюционная и экологическая генетика, физиологическая генетика, генетика индивидуального развития, генетика поведения и др. Разделы частной генетики: генетика микроорганизмов, генетика растений, генетика животных, генетика человека. Задачи и перспективы генетики. Связь генетики с другими науками, отраслями биологии, сельского хозяйства, медицины и педагогики. Место генетики в курсе «Общая биология» в средней школе. ТЕМА 2 МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Клетка как основа наследственности и воспроизведения. Клеточные и неклеточные формы организации живого: эукариоты, прокариоты, вирусы. Роль ядра и цитоплазмы в наследственности. Нуклеиновые кислоты. Структурная модель Дж. Уотсона и Ф. Крика Универсальность и видовая специфичность ДНК. Формы двойной спирали ДНК (В-форма, Z-форма). Минимальное содержание ДНК на геном у ряда систематических групп. Природа генетического материала микробов и вирусов. Особенности наследственных структур у прокариот. Укладка ДНК в нуклеоиде Escherichia coli. Особенности наследственных структур у эукариот. Строение хромосомы эукариот. Хроматин как компонент ядра. Нуклеопротеидный комплекс хромосомы: ДНК, РНК, белок, липиды, ионы металла. Уровни укладки молекулы ДНК. Изменение в организации и морфологии хромосом в ходе митоза и мейоза. Полесский государственный университет 345 Генетика с основами биометрии ес ГУ Структура профазной хромосомы. Эухроматиновые районы. Хромомеры. Гетерохроматиновые районы. Эффект положения гена. Хромосомы типа «ламповых щеток». Политенные хромосомы. Строение метафазных хромосом, их размеры и форма. Кариотип. Индивидуальность хромосом. Диплоидный набор хромосом в соматических клетках. Гомологические хромосомы. Гаплоидный набор хромосом в половых клетках. Идиограмма. Деление клетки и воспроизведение. Механизм размножения прокариот. Распределение молекул ДНК при делении клетки прокариот. Митоз как механизм бесполого размножения у эукариот. Фазы митоза. Воспроизведение и распределение органелл цитоплазмы при делении клетки. Эндомитоз. Генетическое значение митоза. Мейоз. Мейоз как цитологическая основа образования и развития половых клеток. Фазы и стадии мейоза. Характеристика профазы первого мейотического деления. Редукция числа хромосом. Редукционное и эквационное деление. Генетическое значение мейоза. Типы мейоза (гаметный, споровой, зиготный). Эволюция полового размножения. Гаметогенз у растений и животных. Нерегулярные типы полового размножения: партеногенез, апомиксис, гиногенез, андрогенез. Чередование гаплофазы и диплофазы в жизненых циклах эукариот. Особенности жизненных циклов эукариотических микроорганизмов (дрожжи, нейроспора). П ол ТЕМА 3 ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ Наследование при моногибридных и полигибридных скрещиваниях. Гибридологический метод – основа генетического анализа. Основные положения гибридологического метода, разработанного Г. Менделя. Генетическая символика. Правила записи скрещивания. Генотип. Фенотип. Генетический анализ у эукариот при половом размножении. Моногибридное скрещивание. Первый закон Г. Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения. Понятие о генах и аллелях. Аллелизм. Множественный аллелизм. Взаимодействие аллельных генов (доминирование, неполное доминирование, кодоминирование, сверхдоминирование). Реципрокные скрещивания. Расщепление по фенотипу и генотипу во втором поколении. Гомозиготность и гетерозиготность. Второй закон Г. Менделя – закон расщепления признаков. Цитологические основы моногибридного скрещивания. Гипотеза «чистоты» гамет. Анализ расщепления в гаплофазе жизненного цикла. Тетрадный анализ. Возвратное и анализирующее скрещивание. Условия, обеспечивающие и ограничивающие проявление закона расщепления. Статистический характер расщепления. Дигибридное скрещивание. Расщепление во втором поколении. Третий закон Г. Менделя – закон независимого наследования. Цитологические основы Полесский государственный университет 346 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ независимого комбинирования генов, признаков. Тригибридное скрещивание. Формулы, характеризующие расщепление при полигибридных скрещиваниях (число типов гамет, генотипических классов, фенотипических классов). Расчет частоты появления определенных фенотипов и генотипов потомства при дигибридном и тригибридном скрещиваниях. Закономерности полигибридного скрещивания. Общая формула расщепления при полигибридных скрещиваниях. Взаимодействие генов. Типы взаимодействия неаллельных генов: комплементарность, эпистаз, полимерия. Гены-модификаторы. Расщепление по фенотипу при различных типах взаимодействия генов. Полигенные признаки. Наследование количественных признаков, особенности их генетического анализа. Генотип как целостная, исторически сложившаяся система аллельных и неаллельных генных взаимодействий. Влияние факторов внешней среды на реализацию генотипа. Пенетрантность и экспрессивность. Норма реакции. Плейотропный эффект гена. Генетика пола и наследование признаков, сцепленных с полом. Пол как признак. Половой диморфизм. Первичные и вторичные половые признаки. Определение пола. Хромосомное определение пола. Аутосомы и половые хромосомы. Гомогаметный и гетерогаметный пол. Типы хромосомного определения пола. Генетические и цитологические особенности половых хромосом. Определение пола при нерасхождении половых хромосом у человека. Половой хроматин. Балансовая теория определения пола. Проявление признаков пола при изменении баланса половых хромосом и аутосом. Интерсексуальность. Физиологическая теория определения пола. Определение пола у растений. Соотношение полов в природе. Практическое значение регуляции соотношения полов на примере шелководства. Дифференциация пола в онтогенезе. Прогамный, сингамный, эпигамный типы определения пола. Генетическая бисексуальность организма. Гормональное влияние на определение пола в онтогенезе. Гермафродицизм. Гинандроморфизм. Наследование признаков, сцепленных с полом. Наследование при гетерогаметность мужского пола. Наследование при гетерогаметности женского пола. Реципрокные скрещива6ния при изучении наследования признаков сцепленных с полом. Наследование «крисс-кросс». Наследование ограниченных полом и зависимых от пола признаков. Хромосомная теория наследственности Т. Моргана. Основные положения хромосомной теории наследственности и их доказательства. Характер наследования признаков при нерасхождении половых хромосом как доказательство роли хромосом в передаче наследственной информации. Явление сцепленности наследования. Группы сцепления хромосом и число хромосом. Сцепление и кроссинговер. Одинарный и множественный Полесский государственный университет 347 Генетика с основами биометрии ГУ перекресты хромосом. Трехфакторное скрещивание. Понятие об интерференции и коинциденции. Принцип построения генетических карт. Определение группы сцепления. Локализация гена. Сравнение цитологических и генетических карт хромосом. Цитологическое доказательство кроссинговера. Генетическое доказательство кроссинговера на уровне четырех хроматид. Учет кроссинговера при тетрадном анализе. Гипотетические механизмы кроссинговера. Соматический мозаицизм. Влияние факторов внешней среды на кроссинговер. Относительная роль саморепродукцирующих органоидов цитоплазмы и ядра в наследовании. Особенности нехромосомного наследования и методы его изучения. Матроклинное наследование. Пластидная наследственность. Наследование пестролистности у растений. Митохондриальная наследственность. Цитоплазматическая мужская стерильность. Генетический анализ цитоплазматической наследственности. Плазмон. Генотип как система. Внехромосомные генетические элементы микроорганизмов. Плазмиды. Эписомы. П ол ес ТЕМА 4 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Генетическая роль ДНК и РНК. ДНК – трансформирующий фактор пневмококка. Исследования Ф. Гриффитса (1928), О. Эвери, К. Мак-Леода, К. Мак-Карти (1944) на пневмококках. Нуклеиновые кислоты – наследственный материал вирусов. Работы А. Херши, М. Чейз с бактериофагом Т2 (1952). Доказательство генетической роли РНК Г. Френкель-Конратом и Р. Уильямсом на вирусе табачной мозаики (ВТМ) (1956). Модели удвоения молекулы ДНК. Экспериментальное доказательство полуконсервативной модели синтеза ДНК. Работа М. Мезельсона и Ф. Сталь (1957). Полимеризация ДНК и репликативной вилке. Биохимический анализ репликации ДНК. Этапы биосинтеза ДНК. Основные способы репликации кольцевой ДНК (тета-тип рапликации, сигма- тип репликации) и линейной ДНК. Репарация ДНК. Проблема стабильности генетического материала. Типы структурных повреждений в ДНК и репарационные процессы. Классификация систем репарации. Фотореактивация. Генетический контроль и механизмы эксцизионной и пострепликативной репарации, репарация неспаренных оснований, репаративный синтез ДНК. Нарушение в процессах репарации как причина наследственных молекулярных болезней. Роль системы рестрикциимодификации в ограничении присутствия инородной ДНК в бактериальной клетке. Эволюция представлений о строении гена. Классическое представление о гене как единице функции, рекомбинации и мутации. Аллелизм. Полесский государственный университет 348 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Функциональный и рекомбинационный критерии аллелизма, предложенные Т. Морганом. Современные представления о структуре гена. Работы школы А.С. Серебровского по ступенчатому аллеломорфизму. Центровая теория гена. Псевдоаллелизм. Исследования С. Бензера по тонкой структуре гена. Мутационная и рекомбинационная делимость гена. Цис-транс-тест на аллелизм. Ген как единица функции (цистрон). Последовательность нуклеотидных пар ДНК как основа кодирования наследственной информации. Транскрипция. Дискретность процесса. Особенности транскрипции у прокариот и эукариот. Составляющие элементы процесса транскрипции (ДНК как матрица, РНК-полимераза и другие ферменты, нуклеозидтрифосфаты), их структуры и функции. Строение транскрипционной единицы. Организация участков у прокариот и эукариот. Этапы биосинтеза РНК. Экзон-интронная структура гена. Образование про-мРНК у эукариот. Процессинг и сплайсинг. Альтернативный сплайсинг. Нарушение экзонинтронной структуры гена и наследственные болезни. Типы РНК в клетке: информационная (матричная), транспортная и рибосомальная. Генетический код. Триплетность генетического кода. Особенности построения генетического кода. Свойства генетического кода. Расшифровка кодонов в экспериментах по бесклеточному синтезу. Генетический код митохондрий. Трансляция. Процесс трансляции и его особенности у прокариот и эукариот. Составляющие элементы процесса трансляции (мРНК, рибосомы, тРНК, белковые факторы, АТФ), их структура и функции. Механизмы трансляции и его этапы (инициация, элонгация, терминация). Передача информации в клетке. Центральная догма молекулярной биологии. Типы переноса информации: общий перенос, специализированный перенос, запрещенный перенос. Обратная транскрипция. Ревертаза. ТЕМА 5 ИЗМЕНЧИВОСТЬ Классификация изменчивости. Понятие о наследственной и ненаследственной изменчивости. Комбинативная изменчивость, механизмы возникновения и значения для селекции и эволюции. Мутационная изменчивость. Мутационная теория Г. де Фриза. Принципы и классификации мутаций. Классификация мутаций по характеру изменения генома (генные, хромосомные, геномные), по проявлению в гетерозиготе (доминантные и рецессивные), по уклонению от нормы (прямые, реверсии), в зависимости от причин, вызывающих мутации (спонтанные и индуцированные). Другие подходы в классификации мутаций: по отношению к возможности наследования (генеративные и соматические), по изменению фенотипа (морфологические, биохимические, физиологические, поведенческие), по адаптивному значению (летальные, полулетальные, полезные и нейтральные), по локализации в клетке (ядерные и Полесский государственный университет 349 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ цитоплазматические). Цитоплазматические мутации, их природа и особенности. Генные мутации. Молекулярные механизмы мутагенеза. Мутации как ошибка в осуществлении процессов репликации, репарации и рекомбинации. Специфичность действия мутагенов. Молекулярные основы генных мутаций (транзиции, трансверсии, вставки и выпадения отдельных нуклеотидов). Классификация генных мутаций. Направленные мутации (молчащие, нейтральные, миссенс и нонсенс мутации, мутации со сдвигом рамки считывания). Реверсии (прямые, внутригенные супрессорные мутации, внегенные супрессорные мутации). Хромосомные мутации (абберации). Классификация хромосомных мутаций. Внутрихромосомные перестройки: нехватки (дефишенси, делеции), дупликации, инверсии, инсерции. Межхромосомные перестройки транслокации и транспозиции. Цитологические и генетические методы обнаружения хромосомных перестроек. Механизмы возникновения хромосомных мутаций. Геномные мутации. Полиплоидия и анеуплоидия. Полиплоидия, ее типы: автополиплоидия и аллополиплоидия. Автополиплоидия. Фенотипические эффекты автополиплоидии. Искусственное получение автополиплоидов. Сбалансированные и несбалансированные полиплоиды. Фертильность и особенности мейоза у полиплоидов. Полиплоидные ряды. Использование автополиплоидов в селекции растений. Аллополиплоидия. Мейоз и наследование у аллополиплоидов. Амфидиплоидия как механизм получения плодовитых аллополиплоидов (Г.Д. Карпеченко). Ресинтез видов и синтез новых видовых форм. Анеуплоидия (гетероплоидия): нуллисомики, моносомики, полисомики. Особенности мейоза и образования гамет у анеуплоидов. Жизнеспособность и плодовитость анеуплоидных форм. Значение генных, хромосомных и геномных мутаций в эволюции и селекции. Спонтанный мутационный процесс и его причины. Закон Н.И. Вавилова о гомологичных рядах в наследственной изменчивости. Индуцированный мутационный процесс (работы Г.А. Надсона, Г.С. Филиппова, Г. Меллера, Ю.А. Филипченко, Ш. Аурэбах, В.В. Сахарова, И.А. Рапопорта). Влияние ионизирующих излучений, ультрафиолетовых лучей, температуры, химических веществ, биологических агентов на генетический материал. Основные характеристики радиационного и химического мутагенеза. Тест-системы для выявления мутагенов среды и оценки степени генетического риска. Метода количественного учета мутаций у животных, растений и бактерий. Генетические последствия загрязнения окружающей среды физическими и химическими мутагенами. Ненаследственная изменчивость как изменение действия генов при реализации генотипа в различных условиях среды. Типы модификационных изменений. Механизмы модификаций. Роль модификационной изменчивости Полесский государственный университет 350 Генетика с основами биометрии в адаптации организмов, ее значение в эволюции. Применение статистических методов при изучении модификационной изменчивости. ГУ ТЕМА 6 ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОНТОГЕНЕЗА Онтогенез – как реализация генетической информации в ходе индивидуального развития в определенных условиях внешней и внутренней среды. Детерминация. Дифференциация. Первичная дифференцировка цитоплазмы. Стабильность генетического материала в ходе индивидуального развития. Тотипотентность ядра соматической клетки, ее экспериментальное доказательство. Дифференциальная активность генов в онтогенезе. Ведущая роль ядра в формировании признаков организма (Б.Л. Астауров). Дискретность онтогеза. Тератогенез, морфозы, фенокопии. П ол ес ТЕМА 7 ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ Типы популяций. Генетические особенности популяций самоопылителей. Учение В. Иогансена о популяциях и чистых линиях. Генетическая характеристика популяций перекрестно размножающихся организмов. Понятие о частотах аллелей (генов) и генотипов в популяциях. Частота аллелей в популяциях в условиях свободного скрещивания при отсутствии отбора и давления мутаций, закон Харди-Вайнберга. Распределение генотипов при независимом сочетании разных пар аллелей и при наличии серии аллелей в популяциях. Популяция – элементарная единица эволюционного процесса. Генетический груз. Возрастание генетического груза в популяциях в связи с загрязнением окружающей среды физическими и химическими мутагенами. ТЕМА 8 ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА Условия и ограничения генетического анализа у человека. Методы изучения генетики человека: генеалогический, цитогенетический, биохимический, близнецовый, онтогенетический, популяционный. Нормальный кариотип человека в митозе и мейозе. Дифференциальное окрашивание хромосом. Индивидуальная характеристика хромосом человека. Геном человека. Международная программа «Геном человека», ее цели и задачи. ТЕМА 9 ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ Предмет и методы селекции. Понятие о породе, сорте, штамме. Учение об исходном материале селекции. Генетические коллекции, их значение в генетическом анализе, селекции и биотехнологии. Центры происхождения культурных растений по Н.И. Вавилову. Полесский государственный университет 351 Генетика с основами биометрии ес ГУ Изменчивость как источник материала для отбора. Мутационная изменчивость. Использование спонтанной и индуцированной мутационной изменчивости в селекции растений, животных, микроорганизмов. Роль полиплоидии в повышении продуктивности сельскохозяйственных растений. Использование в селекции комбинативной изменчивости. Трансгрессии, частота и степень появления трансгрессии. Принципы подбора пар скрещивания. Инбридинг (инцухт). Аутбридинг. Отдаленная гибридизация. Роль аллополиплоидии в повышении плодовитости отдаленных гибридов и гибридогенном видообразовании. Явление гетерозиса. Генетические механизмы гетерозиса. наследуемость. Коэффициент наследуемости и его использование в селекции. Индивидуальный и массовый отборы. Влияние условий внешней среды на эффективность отбора. Роль наследственности, изменчивости и отбора в создании пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Успехи отечественных селекционеров в создании сортов растений и пород животных. Использование достижений генетики в повышении эффективности селекционного процесса. Перспективы развития селекции в связи с успехами молекулярной генетики. П ол ТЕМА 10 ОСНОВЫ БИОМЕТРИИ Биометрия как наука. Значение биометрии в исследовательской работе и профессиональной подготовке специалистов биологов. Работы У. Петти, Дж. Гранта, П.-С. Де Лапласа, П. Пуассона, П.Л. Чебышева, А. Кетле, К.Ф. Гаусса, Ф. Гальтона, К. Пирсона, У. Госсета, Р. Фишера и других ученых в развитии биометрии. Понятие о наименьшей выборочной единице (единице наблюдения) и данных в биологии. Переменные (признаки). Генеральная совокупность и выборка. Количественные переменные: дискретные и непрерывные. Качественные переменные. Ранговая шкала измерений. Производные переменные: пропорции, индексы, интенсивности протекания процессов. группировка данных в вариационный ряд: полигон (кривая) распределения, гистограмма. Средние величины: средняя арифметическая, взвешенная средняя, геометрическая средняя. Меры разброса единиц совокупности: дисперсия и стандартное отклонение. Коэффициент вариации. Мода. Медиана и процентили. 25-й и 75-й процентили (квартили). Расчет параметров описательной статистики при качественной изменчивости. Оценка репрезентативности выборочных показателей при помощи стандартной ошибки. Определение достаточного объема выборки. Доверительные интервалы для средней арифметической и доли. Способы представления средних величин, мер разброса, стандартных ошибок и доверительных интервалов в научных публикациях. Полесский государственный университет 352 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Наличие дисперсионного анализа (ANOVA). Нулевая гипотеза при дисперсионном анализе. Расчет внутри- и межгрупповой дисперсий при однофакторном анализе с равномерным дисперсионным комплексом. Fкритерий Фишера. Определение внутри- и межгруппового числа степеней свободы. Однофакторный дисперсионный анализ повторных измерений. понятие о многофакторном дисперсионном анализе. Допущения дисперсионного анализа. Проверка нормальности распределения данных. Сравнение двух групп. Тест Стьюдента как частный случай дисперсионного анализа. t-распределение. Тест Стьюдента для парных измерений. Использование доверительных интервалов для проверки гипотезы о равенстве двух средних. Понятие о функциональной и корреляционной зависимости. Коэффициент корреляции Пирсона и оценка его статистической значимости. . Полесский государственный университет 353 Генетика с основами биометрии 1.1 2 2.1 Семинарские занятия Лабораторные занятия Управляемая самостоятельная работа Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.) Литература Формы Контроля знаний 2 ВВЕДЕНИЕ Предмет генетики 1. Понятие о наследственности и изменчивости 2. Основные этапы развития генетики 3. Задачи и перспективы генетики 4. Методы генетики МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ 1. Хромосомы. Строение хромосом 2. Упаковка ДНК в хромосомах 3. Кариотип Клетка как основа наследственности и размножения 1. Клеточные и неклеточные формы жизни 2. Нуклеиновые кислоты 3. Формы двойной спирали ДНК 4. Содержание ДНК на геном Природа генетического материала вирусов, про- Лекции Название раздела, темы, занятия; перечень изучаемых вопросов 3 2 4 5 6 7 8 9 10 2 2 Презентация [1, 2, 3] 6 Собесед ование, тестирование 2 2 П 2.1.1 Практические занятия 1 1 Количество аудиторных часов ол ес ГУ Номер раздела, темы, занятия УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ 2.1.2 Полесский государственный университет 2 Презентация [1, 2, 3, 9] Собесед 354 Генетика с основами биометрии 3.1.1 ование, тестирование ол ес ГУ 3 3.1 П 2.1.3 и эукариот 1. Наследственный материал вирусов 2. Особенности наследственных структур у прокариот 3. Особенности наследственных структур у эукариот 4. Интерфазная, профазная, метафазная хромосомы 5. Уровни укладки ДНК Деление клетки и воспроизведение 1.Механизм размножения у эукариот 2. Митоз как механизм бесполого размножения у эукариот 3. Мейоз как цитологическая основа образования и развития половых клеток ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ Моногибридное скрещивание 1. Наследование при моногибридных скрещиваниях 2. I и II законы Менделя 3. Фенотип и генотип 4. Цитологические основы моногибридного скрещивания 5. Аллелизм 6. Анализирующее и возвратное скрещивания 7. Реципрокные скрещивания 8. Условия выполнения второго закона Менделя 1. Наследование признаков при полном доминировании 2. I и II законы Менделя 3. Схемы скрещивания. Формы записи 4. Решение задач 5. Применение метода 2 для анализа Полесский государственный университет 2 10 2 Презентация , цитогенетические препараты [1, 2, 3, 9] Схемы скрещивани я [1, 2, 3, 9] Сборник задач по генетике [1, 2, 3, 9] Собесед ование, тестирование 26 2 355 Генетика с основами биометрии 3.2 3.2.1 моногибридного скрещивания 1. Наследование признаков при неполном доминировании 2. Множественный аллелизм 3. Плейотропность 4. Пенетрантность и экспрессивность 5. Анализ наследования признаков по родословным Дигибридное и полигибридные скрещивания 1. Дигибридное скрещивание 2. Тригибридное скрещивание Решение задач «Дигибридное и тригибридное скрещивание» 2 ол ес ГУ 3.1.2 4 2 3.2.3 1. Эпистаз. Доминантный и рецессивный эпистаз 2. Полимерия. Кумулятивная и некумулятивная полимерия 3. Решение задач 2 3.3 Генетика пола 1. Типы определения пола 2. Особенности определения пола у рыб 3. Наследование признаков, сцепленных с полом Наследование признаков, сцепленных с полом 1.Сцепленное с полом наследование при П Модификации формулы расщепления при дигибридном и полигибридном скрещиваниях на примере взаимодействия неаллельных генов 1.Комплементарность 2. Решение задач Полесский государственный университет [1, 2, 3, 9] Схемы скрещивани я Сборник задач по генетике [1, 2, 3] Сборник задач по генетике [1, 2, 3, 5] Схемы скрещивани я [1, 2, 3] Сборник задач по [1, 2, 3, 17] 2 3.2.2 3.3.1 Сборник задач по генетике 2 2 [1, 2, 3, 5] Собесед ование, решени е задач, тестиро вание Собесед ование, решени е задач, тестиро вание Контро льная 356 Генетика с основами биометрии гетерогаметности мужского пола 2. Решение задач 3.4 3.4.1 3.4.2 2 Сборник задач по генетике 2 2 4 работа, тестиро вание [1, 2, 3] Схемы скрещивани я, сборник задач по генетике Сборник задач по генетике [1, 2, 3] Контро льная работа [1, 2, 3, 4, 5] Тесты, контрол ьная работа 2 П 3.5 1. Сцепленное с полом наследование при гетерогаметности женского пола. 2. Решение задач Сцепление генов и кроссинговер 1. Генетическое доказательство сцепленного наследования 2. Хромосомная теория наследственности 3. Генетические карты хромосом. Трехфакторное скрещивание 4. Понятие об интерференции и коинцинденции Решение генетических задач: 1. Определение характера наследования признака (сцепленное или независимое наследование) 2. Определение фенотипа и генотипа потомства при сцеплении генов 3. Определение частоты кроссинговера Сцепленное наследование 1.Трехфакторное скрещивание при сцепленном наследовании и составлении генетических карт 2. Расчет интерференции и коинцинденции 3. Решение генетических задач Рекомбинация у бактерий и вирусов 1. Микроорганизмы как объект генетических исследований 2. Организация генетического аппарата у бактерий и вирусов 3. Трансформация. Особенности генетического анализа сборник задач по генетике бактерий при ол ес ГУ 3.3.2 генетике Полесский государственный университет 357 Генетика с основами биометрии 4.1 4.2 4.3 Полесский государственный университет Собесед ование, тестиро вание 4 ол ес ГУ 4 П 3.5.1 трансформации 4. Трансдукция. Использование бактериофагов для картирования хромосомы бактерий 5. Конъюгация бактерий Конъюгация бактерий 1.Половой фактор. 2. Рекомбинация при конъюгации бактерий 3. трансформация и трансдукция в картировании бактериальной хромосомы 4. Физическое и генетическое картирование бактериальной хромосомы МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ Генетическая роль ДНК и РНК 1.Генетическая роль ДНК и РНК, ее доказательство 2. Репликация. Биохимический анализ репликации 3. Полуконсервативный способ репликации. Опыты Мезельсона и Сталя 4. Ферменты репликации 5. Схема репликационной вилки 6. Особенности репликации ДНК у про- и эукариот Репарация ДНК 1. Основные типы репарации ДНК 1.1 Фотореактивация 1.2 Эксцизионная 1.3 Рекомбинационная 1.4 SOS-репарация 2. Рестрикция-модификация ДНК Эволюция представлений о структуре и функциях гена 1.Хромосомная теория гена 12 6 2 Схема, рисунки [1, 2, 3] 2 Схема, рисунки [1, 2, 3, 7] 2 Схема, рисунки [1, 2, 3] 358 Генетика с основами биометрии 4.5 4.6 ол ес ГУ 4.4.1 П 4.4 2. Функциональный и рекомбинационный тесты на аллелизм 3. Центровая теория гена 4. Псевдоаллелизм 5. Цис-транс-тест на аллелизм Структура и функции гена 1.Тонкая структура гена. Работы С. Бензера 2. Экзонно-интронная структура гена 3. Сплайсинг 4. Альтернативный сплайсинг Развитие представлений о структуре и функциях гена 1.Хромосомная теория гена 2. Центровая теория гена 3. Псевдоаллелизм 4. Цис-транс-тест на аллелизм 5. Тонкая структура гена 6. Прерывистая структура гена. Сплайсинг 7. Решение задач Транскрипция 1. Транскриптон 2. Ферменты транскрипции 3. Этапы биосинтеза РНК 4. Организация промоторных и терминаторных участков у прокариот и эукариот 5. Процессинг первичных транскриптов у эукариот 6. обратная транскрипция Генетический код 1.Особенности построения генетического кода 2. Свойства генетического код Трансляция Полесский государственный университет 2 Схемы, рисунки [1, 2, 3] Тесты 2 2 2 Схемы, рисунки [1, 2, 3] Тесты, контрол ьная работа [1, 2, 3, 9] 359 Генетика с основами биометрии 4.6.2 5 5.1 ИЗМЕНЧИВОСТЬ Наследственная изменчивость 1.Модификации 2. Морфозы Наследственная изменчивость 1.Комбинативная изменчивость 2. Мутационная изменчивость 3. Классификация мутаций Молекулярные механизмы мутагенеза, генные мутации 1. Классификация генных мутаций 2. Причины генных мутаций 3. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма Хромосомные мутации 1.Классификация хромосомных мутаций 2. Цитологические и генетические методы 2 8 2 2 Схемы, рисунки [1, 2, 3] Собесед ование, тестиро вание, задачи Схемы, рисунки, сборник задач по генетике [1, 2, 3] Собесед ование, тестиро вание, задачи 4 Схемы, [1, 2, 3] рисунки,стат истика [1, 2, 3] П 5.2 2 ол ес ГУ 4.6.1 1. Составляющие элементы процесса трансляции 2. Инициация, элонгация и терминация у про- и эукариот Этапы биосинтеза белка 1.Транскрипция 2. Строение промоторного и терминаторного участков у про- и эукариот 3. Строение и свойства генетического кода 4. Трансляция. Механизмы и этапы трансляции Перенос информации в клетке 1.Типы переноса информации 2. Обратная транскрипция 3. Решение молекулярно-генетических задач Полесский государственный университет 360 Генетика с основами биометрии 5.4 5.4.1 6 6.1 2 ол ес ГУ 5.3.1 П 5.3 обнаружения 3. Значение хромосомных перестроек в эволюции Геномные мутации 1.Классификация геномных мутаций 2. Механизмы возникновения 3. Жизнеспособность и плодовитость полиплоидных и анеуплоидных форм Наследственная и ненаследственная изменчивость 1.Статистический анализ модификационной изменчивости 2. Практические задачи по теме «Хромосомные и генные мутации» Спонтанный и индуцированный мутагенез 1.Спонтанный мутационный процесс. Причины спонтанных мутаций 2. Закон Н.И. Вавилова о гомологических рядах в наследственной изменчивости 3. Индуцированный мутационный процесс 4. Мутагенные факторы среды 5. Тест-системы для выявления мутагенов среду и оценки степени генетического риска 1.Радиационный мутагенез. Основные характеристики радиационного мутагенеза 2. Химический мутагенез. Классификация химических мутагенов. Механизм их действия. Методы учета мутаций ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОНТОГЕНЕЗА Генетические основы онтогенеза 1.Тотипотентность клеток 2. Этапы онтогенеза Полесский государственный университет 2 2 2 2 Схемы, рисунки, задачи,стати с-тика [1, 2, 3] Собесед ование, тестиро вание, задачи Схемы, рисунки, статистика [1, 2, 3, 10] Собесед о-вание, тестиро ва-ние Схемы, рисунки, статистика [1, 2, 3, 6] Собесед ование, тестиро вание Сборник задач 2 2 361 Генетика с основами биометрии 7.1.1 7.2 ол ес ГУ 7 7.1 П 6.1.1 3. Генетические основы дифференцировки 4. Дифференциальная транскрипция генов 5. Дифференциальная трансляция 6. Дифференциальная посттрансляционная модификация белков Дифференциальная экспрессия генов как основа индивидуального развития организма 1. Регуляция активности генов на уровне инициации транскрипции 2. Регуляция активности генов на посттранскрипционном уровне ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ Генетическая характеристика популяций 1.Генетическая характеристика популяций апомиктов 2. Генетическая структура популяций самоопылителей 3. Генетическая структура панмиктических популяции 4. Закон Харди-Вайнберга Популяция и ее генетическая характеристика 1. Генетическая структура популяций перекрестноразмножающихся организмов 2. Закон Харди-Вайнберга 3. Решение генетических задач Факторы генетической динамики популяций 1. Давление мутаций 2. Миграция 3. Дрейф генов 4. Действие отбора Полесский государственный университет 2 4 2 6 4 Схемы, статистика [1, 2, 3, 7, 8] Схемы, статистика [1, 3, 5, 7, 8] Собесед ование, задачи, контрол ьная работа 2 362 Генетика с основами биометрии 8.1.1 8.2 8.2.1 9 9.1 9.2 9.2.1 2 4 2 4 ол ес ГУ 8 8.1 5. Факторы изоляции Изменение генетической структуры популяций. Элементарные процессы эволюции ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА Генетика человека 1.Человек как объект генетических исследований 2. Методы изучения генетики человека 3. Основы медицинской генетики. Классификация наследственных заболеваний 4. Геном человека Основы медицинской генетики 1. Наследственные болезни и их распространение в популяциях человека 2. Типы наследственных болезней 3. Медико-генетическое консультирование Генотерапия 1. Основные принципы и методология генотерапии 2. Успехи генотерапии и перспективы развития 1. Области применения генотерапии 2. Способы введения генов в клетки человека 3. Методы переноса генов в клетки человека ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ Генетика как теоритическая основа селекции 1. Схема селекционного процесса 2. Исходный материал в селекции П 7.2.1 1.Методы селекции 2. Перспективы развития селекции Изменчивость как источник материала для отбора 1.Мутационная изменчивость (спонтанная и индуцированная) Полесский государственный университет 2 2 2 6 2 4 Презентация [1, 3, 9] Собесед ование, тестиро вание 2 2 363 Генетика с основами биометрии 9.3 10 10.1 10.1.1 2 ол ес ГУ 9.2.2 2. Роль полиплоидии в селекции 3. Комбинативная изменчивость 4. Трансгрессии Гибридизация 1. Принципы подбора пар скрещивания 2. Инбридинг. Аутбридинг. Отдаленная гибридизация 3. Гетерозис. Коэффициент наследуемости 4. Индивидуальный и массовый отбор Основы селекции рыб 1.Цели и задачи селекции рыб 2. Селекция карпа ОСНОВЫ БИОМЕТРИИ Биометрия как наука 1.Значение биометрии в исследовательской работе 2. Генеральная совокупность и выборка 3. Группировка данных в вариационный ряд 4. Графическое изображение вариационного ряда 5. Средние величины Применение метода 2 для анализа полученных данных Статистический анализ модификационной изменчивости при прерывистом и непрерывном 10.1.3 Корреляционная зависимость. Коэффициент корреляции П 10.1.2 Полесский государственный университет 2 2 2 10 2 Решение задач 4 Проведение расчетов, построение графиков Проведение расчетов 2 Защита оформл енной работы Защита оформл енной работы Защита оформл ен-ной работы 364 Генетика с основами биометрии 10.1.4 Дисперсный анализ. Тест Стьюдента. tраспределение 2 50 68 П ол ес ГУ ИТОГО Проведение расчетов Полесский государственный университет 365 ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ П ол ес ГУ Перечень основной и дополнительной литературы: Основная литература 1. Бекиш, Р.В. Генетика с основами биометрии: учебно-методическое пособие по выполнению контрольных работ для студентов факультета заочного обучения по специальности 1-74 03 01 "Зоотехния" / Р.В. Бекиш, М.В. Красюк; УО "Витебская ордена "Знак почета" государственная академия ветеринарной медицины". – Витебск: ВГАВМ, 2008. – 28 с. 2. Генетика: учебник / В.И. Иванов [и др.]; ред. В.И. Иванов. – М.: Академкнига, 2007. – 638 с. 3. Генетика: учебно-методическое пособие для студентов биотехнологического факультета / А.В. Вишневец [и др.]; УО "Витебская ордена "Знак почета" государственная академия ветеринарной медицины – Витебск: ВГАВМ, 2012. – 92 с. 4. Ефремова, В.В. Генетика: учебник / В.В. Ефремова, Ю.Т. Аистова. – Ростов н./Д: Феникс, 2010. – 248 с. 5. Жимулев, И.Ф. Общая и молекулярная генетика: учебное пособие / Ю.Д. Жимулев. – 4-е издание, стереотипное третьему. – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2007. – 479 с. 6. Инге-Вечтомов, С.Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов высших учебных заведений / С.Г. Инге-Вечтомов . – 2-е изд. – СПб. : Издательство Н-Л, 2010. – 720 с. 7. Картель, Н.А. Генетика = Genetics: энциклопедический словарь / Н.А. Картель, Е.Н. Макеева, А.М. Мезенко. – Минск: Беларуская навука, 2011. – 992 с. 8. Орлова, Н.Н. Генетический анализ: учебное пособие / Н.Н. Орлова. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 318 с. 9. Основы биометрии: учебно-методическое пособие для студентов биотехнологического факультета по специальности I-74 03 01 "Зоотехния" / Учреждение образования "Витебская ордена "Знак Почета" государственная академия ветеринарной медицины"; сост. А.В. Вишневец [и др.]. – Витебск: ВГАВМ, 2011. – 44 с. 10. Писарчик, Г.А. Сборник задач по генетике: пособие / Г.А. Писарчик, А.В. Писарчик. – 3-е изд. – Минск: АВЕРСЭВ, 2012. – 240 с. Дополнительная литература 11. Бокуть, С.Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации / С.Б. Бокуть, Н.В. Герасимович, А.А. Милютин. – Мн.: Высш. шк., 2005. 12. Гайсинович, А.Е. Зарождение и развитие генетики / А.Е. Гайсинович. – М.: Наука, 1999. Генетика с основами биометрии 13. Генетика: учебное пособие / А.А. Жученко. – М.: КолосС, 2006. – 480 с. П ол ес ГУ 14. Ермишин, А.П. биотехнология. Биобезопасность. Биоэтика / А.П. Ермишин, В.Е. Подлисских, Е.В. Воронова. – Мн.: Тэхналогiя, 2005. 15. Зорина, З.А. Основы этологии и генетики поведения / З.А. Зорина, И.И. Полетаева, Ж.И. Резникова. – М.: Изд-во МГУ: Высш. шк., 2002. 16. Смиряев, А.В. Генетика популяций и количественных признаков: учебник / А. В. Смиряев, А.В. Кильчевский. – М.: КолосС, 2007. – 272 с. 17. Хедрик, Ф. Генетика популяций / Ф. Хедрик. – М.: Техносфера, 2003. 18. Sokal, R.R. Biometry: the principles and practice of statistics in biological research (3rd ed.) / R.R. Sokal, J.F. Rohlf. New-York, W.H. Freeman and Company, 2001. 19. Zar, J.H. Biostatistical analysis (2nd ed.) / J.H. Zar. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1984. Полесский государственный университет 367 Генетика с основами биометрии Критерии оценок результатов учебной деятельности: Баллы 2 (два) 3 (три) П ол ес 4 (четыре) Отсутствие приращения знаний и компетентности в рамках образовательного стандарта, отказ от ответа Фрагментарные знания в рамках образовательного стандарта; знания отдельных литературных источников, рекомендованных учебной программой дисциплины; неумение использовать научную терминологию дисциплины, наличие в ответе грубых и логических ошибок; пассивность на практических и лабораторных занятиях, низкий уровень культуры исполнения заданий Недостаточно полный объем знаний в рамках образовательного стандарта; знание части основной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины; использование научной терминологии, изложение ответа на вопросы с существенными и логическими ошибками; слабое владение инструментарием учебной дисциплины, некомпетентность в решении стандартных (типовых) задач; неумение ориентироваться в основных теориях, концепциях и направлениях изучаемой дисциплины; пассивность на практических и лабораторных занятиях, низкий уровень культуры исполнения заданий Достаточный объем знаний в рамках образовательного стандарта; усвоение основной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины; использование научной терминологии, логическое изложение ответа на вопросы, умение делать выводы без существенных ошибок; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в решении стандартных (типовых) задач; умение под руководством преподавателя решать стандартные (типовые) задачи; умение ориентироваться в основных теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и давать им оценку; работа под руководством преподавателя на практических, лабораторных занятиях, допустимый уровень культуры исполнения заданий. Достаточные знания в объеме учебной программы; использование научной терминологии, грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать выводы; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в решении учебных и профессиональных задач; способность самостоятельно применять типовые решения в рамках учебной программы; усвоение основной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины; умение ориентироваться в базовых теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и давать им сравнительную оценку; самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, фрагментарное участие в групповых обсуждениях, достаточный уровень культуры исполнения заданий. Достаточно полные и систематизированные знания в объеме учебной программы; использование необходимой научной терминологии, грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать обобщения и обоснованные выводы; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в решении учебных и профессиональных задач; способность самостоятельно применять типовые решения в рамках учебной программы; усвоение основной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины; умение ориентироваться в базовых теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и ГУ 1 (один) Показатели оценки 5 (пять) 6 (шесть) Полесский государственный университет 368 Генетика с основами биометрии П ол ес 8 (восемь) ГУ 7 (семь) давать им сравнительную оценку; активная самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях; периодическое участие в групповых обсуждениях, достаточно высокий уровень культуры исполнения заданий. Систематизированные, глубокие и полные знания по всем разделам учебной программы; использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать обоснованные выводы и обобщения; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач; свободное владение типовыми решениями в рамках учебной программы; усвоение основной и дополнительной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины; умение ориентироваться в основных теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и давать им аналитическую оценку; самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. Систематизированные, глубокие и полные знания по всем поставленным вопросам в объеме учебной программы; использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное и логически правильное изложение ответа на вопросы, умение делать обоснованные выводы и обобщения; владение инструментарием учебной дисциплины (в том числе техникой информационных технологий), умение его использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач; способность самостоятельно решать сложные проблемы в рамках учебной программы; усвоение основной и дополнительной литературы, рекомендованной учебной программой дисциплины; умение ориентироваться в теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и давать им аналитическую оценку; активная самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, систематическое участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. Систематизированные, глубокие и полные знания по всем разделам учебной программы; точное использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы; владение инструментарием учебной дисциплины, умение его эффективно использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач; способность самостоятельно и творчески решать сложные проблемы в нестандартной ситуации в рамках учебной программы; полное усвоение основной и дополнительной литературы, рекомендованной учебной программной дисциплины; умение ориентироваться в теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и давать им аналитическую оценку; систематическая, активная самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, творческое участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. 9 (девять) Полесский государственный университет 369 Генетика с основами биометрии Систематизированные, глубокие и полные знания по всем разделам учебной программы, а также по основным вопросам, выходящим за ее пределы; точное использование научной терминологии (в том числе на иностранном языке), грамотное, логически правильное изложение ответа на вопросы; безупречное владение инструментарием учебной дисциплины, умение его эффективно использовать в постановке и решении научных и профессиональных задач; выраженная способность самостоятельно и творчески решать сложные проблемы в нестандартной ситуации; полное и глубокое усвоение основной и дополнительной литературы по изучаемой учебной дисциплине; умение свободно ориентироваться в теориях, концепциях и направлениях по изучаемой дисциплине и давать им аналитическую оценку, использовать научные достижения других дисциплин; творческая самостоятельная работа на практических, лабораторных занятиях, активное творческое участие в групповых обсуждениях, высокий уровень культуры исполнения заданий. ГУ 10 (десять) П ол ес Перечень средств диагностики результатов учебной деятельности: - устный контроль во время занятий по темам: наследственность и изменчивость; строение хромосомы; нуклеиновые кислоты; моно-, ди- и полигибридное скрещивание, генетика пола; генетика человека; генетические основы селекции; основы биометрии, статистический и дисперсионный анализ - письменный контроль во время занятий по темам: материальные основы наследственности; закономерности наследования; молекулярные механизмы наследственности; изменчивость; генетические основы онтогенеза; генетика популяций; генетические основы селекции; основы биометрии; - тестовые задания по темам: наследственность и изменчивость; выборка, вариационный ряд и средние величины; - зачет; -экзамен. Полесский государственный университет 370 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ Примерный перечень вопросов к экзамену: 1. Предмет генетики. Краткая история развития представлений о наследственности. 2. Видимое строение хромосом человека и их морфология. Классификация и тонкая структура хромосомы. 3. Вклад ученых в развитие генетики. 4. Человек как объект генетических исследований. Метод генетики соматических клеток. Биохимический метод. Молекулярно-генетический метод. 5. Вклад белорусских ученых в развитии генетики. 6. Человек как объект генетических исследований. Популяционностатистический метод. Цитогенетический метод. 7. Клеточные и неклеточные формы организации живого: эукариоты, прокариоты, вирусы. 8. Человек как объект генетических исследований. Генеалогический метод. Близнецовый метод. 9. Нуклеиновые кислоты. Структурная модель ДНК Дж. Уотсона и Ф. Крика. 10. Основные факторы генетической динамики популяций. 11. Нуклеиновые кислоты. Структурная модель РНК. 12. Генетическая структура популяций перекрестно-размножающихся организмов. 13. Особенности укладки наследственных структур у эукариот. 14. Генетическая структура популяций самоопылителей. 15. Митотические хромосомы. Строение и их типы. 16. Генетическая структура популяций апомиктов. 17. Кариотип и идиограмма. Методы окраски хромосом. 18. Генетическая структура популяций. Типы популяций. 19. Клеточный цикл и его стадии. Митотический цикл. 20. Молекулярные основы процесса старения и генетическая картина онтогенеза. 21. Непрямое деление клетки. Его фазы и биологическое значение. 22. Роль генетических факторов в определении продолжительности жизни. 23. Амитоз. Эндомитоз. Их особенности и биологическое значение. 24. Дифференциальная активность генов в онтогенезе. 25. Мейоз. Его фазы и биологическое значение. 26. Транскрипция и амплификация генов в онтогенезе. 27. Краткий обзор этапов сперматогенеза. 28. Эпигеномная наследственность. 29. Краткий обзор этапов оогенеза. 30. Дифференцировка и детерминация. 31. Генетический анализ. Основная генетическая символика. Первый закон Г. Менделя. 32. Наследственная изменчивость. Полесский государственный университет 371 Генетика с основами биометрии П ол ес ГУ 33. Второй закон Г. Менделя. Анализирующие (реципрокное) скрещивание. 34. Геномные мутации. Анеуплоидия. Гаплоидия. 35. Неполное доминирование. Кодоминирование. 36. Геномные мутации. Аллополиплоидия (амфиполиплоидия). 37. Дигибридное скрещивание. Тригибридное скрещивание. Третий закон Г. Менделя. 38. Геномные мутации. Полиплоидия. Автополиплоидия. 39. Типы взаимодействия неаллельных генов – комплементарность. 40. Хромосомные мутационные перестройки. Их виды и результаты действия. 41. Типы взаимодействия неаллельных генов – эпистаз. 42. Генные мутации. Их виды и результаты действия. 43. Типы взаимодействия неаллельных генов – полимерия. 44. Генетические и соматические мутации. Прямые и обратные мутации. 45. Пенетрантность и экспрессивность. Норма реакции. Плейотропный эффект гена. 46. Мутационная теория и классификация мутаций. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова. 47. Пол как признак. Половой диморфизм. Первичные и вторичные половые признаки. 48. Изменчивость наследственного материала. Комбинативная изменчивость. Ее причины и результаты. 49. Гинандроформы, интерсексы, гермафродиты и другие половые отклонения. 50. Передача информации в клетке. «Центральная догма молекулярной биологии». 51. Наследование признаков сцепленных с полом. 52. Трансляция генетической информации. 53. Сцепление генов и кроссинговер. Частота кроссинговера и линейное расположение генов в хромосоме. 54. Транскрипция. Генетический код. 55. Цитологические доказательства кроссинговера. Митотический (соматический) кроссинговер. Факторы, влияющие на кроссинговер. 56. Репликация ДНК. Репарация ДНК. 57. Нехромосомное (цитоплазматическое) наследование. 58. Генетика микроорганизмов. Способы передачи наследственной информации у бактерий. Полесский государственный университет 372 Генетика с основами биометрии ПЕРЕЧЕНЬ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ по учебной дисциплине ‖Генетика― в рамках комплексной контрольной работы по специальности 1-31 01 01 ‖Биология (по направлениям)―, направлению специальности 1-31 01 01-03 ‖Биология-биотехнология―, 1-31 01 01-01 ‖Биология (научно-производственная деятельность)― Содержание вопроса Варианты ответов 2 3 определение степени наследуемости признака определение характера наследования признака определение частоты встречаемости аллеля в популяции определение наличия патологии по другим (маркерным) признакам сцепленного наследования взаимодействия генов независимого распределения признаков по 3 закону Менделя цитоплазматической наследственности гибридологический цитогенетический маркирования генов биохимический аллельные неаллельные гомологичные гомозиготные наследственность и изменчивость мутации генетическую обусловленность обмена веществ динамику популяции фенотип генотип кариотип генофонд взаимно исключают проявление друг друга дополняют друг друга предусматривают проявление друг друга усиливают друг друга 1865 г. 1856 г. Задача близнецового анализа: 2 Метод маркеров основан на явлении: 3 Генеалогический анализ был разработан потому, что в генетике человека не применим метод: 5 П ол 4 ес 1 ГУ № вопр. 1 Гены, расположенные в идентичных участках гомологичных хромосом: Основные объекты, изучаемые генетикой: 6 Совокупность признаков организма, сложившихся в результате его развития: 7 Альтернативными называются признаки, которые: 8 Г. Мендель открыл свои законы в: Полесский государственный университет 373 Генетика с основами биометрии Для определения генотипа организма … скрещивание 10 Понятие «ген» предложил: 11 Под «наследованием» понимают: 12 Этапы синтеза белка: 13 Количество аминокислот, участвующих в синтезе белка: 14 Благодаря внутрицепочечным водородным связям между азотистыми основаниями нуклеотидов молекула тРНК приобретает структуру: П ол ес ГУ 9 1845 г. 1901 г. анализирующее моногибридное дигибридное тригибридное В. Иоганнсен Г. Мендель К. Корренс Г. Де Фриз процесс передачи наследственной информации следующему поколению вероятность проявления признака в F1 обязательное проявление признака в F1 приобретение признаков в процессе индивидуального развития транскрипция и трансляция репликация и транскрипция репарация и трансляция репликация и репарация 20 64 38 54 клеверного листа хвощевидного стебля кленового листа 15 Структурная единица ДНК: 16 Принцип комплементарности лежит в основе взаимодействия нескольких: 17 Элементы инициаторного комплекса: 18 Интрон: Полесский государственный университет горохового уса нуклеотид ген аминокислота триплет нуклеотидов молекул тРНК генов хромосом иРНК большой субъединицы рибосомы и молекулы АТФ иРНК и две единицы рибосом две рибосомы и 20 тРНК код иРНК и тРНК не несет генетической информации несет генетическую информацию о белке дает начало синтезу информирует об окончании синтеза белка 374 Генетика с основами биометрии 21 22 23 П ол 24 ГУ 20 ес 19 23 пары хромосом 22 пары хромосом Хромосомный набор человека содержит: 24 пары хромосом вообще не содержит хромосом точковой мутации хромосомной мутации Фенилкетонурия – это пример: геномной мутации модификационной изменчивости гибридологический генеалогический Метод, не применяемый в генетике человека: близнецовый анализ популяционно-статистический не изменяются от поколения к поколению равны 0 Частоты аллелей в идеальной популяции: равномерно возрастают от поколения к поколению равномерно убывают от поколения к поколению близкородственные браки мутации Частоты аллелей в популяции не изменяют: миграции естественный отбор соматические точковые Мутации, непередающиеся последующим поколениям: спонтанные генеративные естественного отбора мутаций Распределение аллелей групп крови в популяциях человека – результат: изоляции модификационной изменчивости равновесными Популяции человека, соотношение аллелей сбалансированными в которых описывается уравнением Хардиреальными Вайнберга, называются: идеальными 1908 г. 1918 г. Закон Харди-Вайнберга был сформулирован в: 1912 г. 1916 г. для идеальной популяции для любой изолированной популяции при отсутствии эволюционных факторов Закон Харди-Вайнберга применим: в популяции при отсутствии миграционного процесса в популяции генетическую структуру популяции Закон Харди-Вайнберга дает возможность только частоту доминантных гомозигот установить: частоту возникновения патологий 25 26 27 28 29 Полесский государственный университет 375 Генетика с основами биометрии Популяция – это совокупность: 31 Фактор, при котором не поддерживается равновесие частот аллелей в популяции: 32 Причиной изменения генофонда популяции не может быть: 33 Закон Харди-Вайнберга справедлив при условии: 34 Если 1 человек из 10 тыс. является альбиносом, то частота рецессивных гомозигот составляет: 35 В соответствии с законом ХардиВайнберга соотношение частот доминантных гомозигот (АА), гетерозигот (Аа) и рецессивных гомозигот (аа) при отсутствии эволюционных факторов: 36 Соотношение Харди-Вайнберга не изменяет: 37 Дрейф генов: П ол ес ГУ 30 дрейф генов свободно скрещивающихся особей одного вида, обладающих общим генофондом и занимающих определенный ареал свободно скрещивающихся особей данного ареала особей разных видов, сходных по способу питания, проживающих на некоторой территории живых организмов, приспособленных к совместному обитанию на однородном участке территории или акватории высокая интенсивность мутационного процесса большая численность и плотность популяции свободное скрещивание отсутствие миграций особей из других популяций искусственный отбор естественный отбор мутационный процесс дрейф генов наличия свободного скрещивания (панмиксии) наличия мутационного процесса ограниченной численности популяции возможности миграции особей 0,0001 0,001 0,01 0,00001 остается постоянным может изменяться может изменяться через несколько поколений изменяется в следующем поколении всегда панмиксия дрейф генов мутационный процесс кровосмешение случайные изменения частоты аллелей изменение частоты аллелей, вызванных естественным отбором элиминирование патологических генов Полесский государственный университет 376 Генетика с основами биометрии Равновесие частот аллелей в популяции не поддерживается при: 39 При супрессии: 40 Дрейф генов характерен для: П ол ес ГУ 38 изменение частоты аллелей в результате селекционной работы высокой интенсивности мутационного процесса большой численности и плотности популяции свободном скрещивании отсутствии частых миграций особей из других популяций рецессивная аллель одного гена подавляется аллелью другого гена рецессивная аллель одного гена подавляется доминантной аллелью другого гена доминантная аллель одного гена подавляется рецессивной аллелью другого гена доминантная аллель одного гена подавляется доминантной аллелью другого гена малочисленных популяций, где могут быть представлены не все аллели, типичные для данного вида многочисленных популяций, в составе которых представлены все типичные для данного вида аллели любой по численности популяции, в которой имеются все аллели, типичные для данного вида популяции, имеющей мутантных особей разными популяциями одного вида вследствие миграции отдельных особей популяции в популяцию популяциями разных видов, ареал которых характеризуется однородными условиями особями одной популяции в период размножения популяциями разных видов, обитающих в различных почвенно-экологических условиях существенного снижения размера популяции и случайной гибели носителей того или иного генотипа роста численности популяции высокой доли гетерозигот высокой рождаемости фенотипа изменяться при подкормке 41 Поток генов – это обмен генами между: 42 Обычно дрейфа генов является следствием: 43 В основе повышения продуктивности Полесский государственный университет 377 Генетика с основами биометрии сельскохозяйственных культур лежит способность: 46 47 П ол 48 ГУ 45 ес 44 растений генотипа изменяться при рыхлении почвы генотипа изменяться при поливе растений генотипа изменяться при применении агроприемов коричневых и серых в отношении 3:1 коричневых, серых и белых в Скрещивание чистых линий мышей с отношении 1:2:1 коричневой и серой шерстью дает в F1 коричневых потомков, а в F2: коричневых и серых в отношении 1:3 только коричневых ЦЦГ-УУГ-ААУ Участок молекулы ДНК имеет строение УУГ-ТТЦ-ААТ ГГЦ-ААЦ-ТТА, тогда комплементарная ей ГГЦ-УУТ-ААУ и-РНК будет иметь вид: ГГЦ-ААЦ-ТТА Г-1500, А-3500, Т-3500 Распределение в молекуле ДНК аденина, гуанина, тимина, если в ней насчитывается Г-1500, А-5000, Т-5000 1500 цитозиновых нуклеотидов или 15% от Г-5000, А-1500, Т-1500 всех имеющихся нуклеотидов: Г-3500, А-3500, Т-3500 правилом доминирования Явление доминирования у гибридов правилом чистоты гамет одного признака над другим и единообразие гибридов по этому признаку вторым законом Менделя было названо: моногибридным скрещиванием АЦА-ГТТ-АГТ-АЦТ Строение молекулы иРНК: УГУ-ЦААЦТЦ-ГУУ-ЦГУ-ЦТУ УЦА-УГА, тогда комплементарная ей ТЦТ-АГТ-ТАГ-ТЦГ цепочка ДНК будет иметь вид: ТЦТ-ГУУ-ТГУ-ТЦУ гомозиготными Особи, которые не дают в потомстве моногибридными расщепления и сохраняют свои признаки в доминирующими «чистом» виде, называются: гетерозиготными расположены в одних и тех же локусах гомологичных хромосом и определяют альтернативное развитие одного и того же признака контролируют проявление одного и того же признака у организмов разных видов Аллельные гены: локализованы в гомологичных хромосомах локализованы в разных парах хромосом на одинаковом расстоянии от центромеры правилом чистоты гамет реципрокным скрещиванием Явление несмешиваемости в половых клетках генов называется: возвратным скрещиванием чистатой линий Взаимодействия аллельных генов: доминирование, неполное 49 50 51 52 Полесский государственный университет 378 Генетика с основами биометрии Доля гетерозигот во втором поколении при скрещивании двух гомозиготных линий (АА и аа): 54 Расщепление по фенотипу в первом поколении гибридов в соотношении 1:1 происходит в том случае, если: 55 Организм, образующийся при скрещивании двух наследственно различающихся особей, называется: 56 Количество признаков при моногибридном скрещивании, по которым различаются родительские формы: ес Процент особей с доминантным признаком во втором поколении при моногибридном скрещивании, согласно второму закону Менделя: Процент особей с рецессивным признаком во втором поколении при моногибридном скрещивании, согласно второму закону Менделя: П ол 57 58 ГУ 53 доминирование кодоминирование, эпистаз комплементарность, полимерия полимерия, комплементарность 50% 25% 75% 30% одна родительская форма по рецессивному аллелю гомозиготна, а вторая гетерозиготна обе родительские формы гомозиготны обе родительские формы гетерозиготны одна родительская форма гомозиготна, а вторая гетерозиготна гибридом полиплоидом анэуплоидом мутантом 1 2 3 n 75 50 60 30 25 10 15 30 7 признаков 2 признака 5 признаков 4 признака гибридологическим цитологическим онтогенетическим биохимическим садовый горошек фасоль тыкву душистый горошек потомки в ряду поколений не изменяются все гены доминантные отсутствуют летальные гены невозможны мутации 59 Г. Мендель на опытном растении изучил: 60 Г. Мендель для изучения наследования признаков воспользовался … методом 61 Основной объект исследования Г. Менделя: 62 Линия называется чистой, если у нее: Полесский государственный университет 379 Генетика с основами биометрии 65 66 П ол 67 ГУ 64 ес 63 чистых линий любых линий Первый закон Г. Менделя обнаруживается гибридов при скрещивании: растений с альтернативными признаками отличаются по двум парам альтернативных признаков Дигибридным называется такое принадлежат одному виду скрещивание, при котором родительские принадлежат к одному сорту растений формы: или породе животных имеют общего предка аллельных генов по типу неполного При скрещивании краснозерной пшеницы доминирования с белозерной появление в первом неаллельных генов по типу полимерии поколении розовозерной формы, а во втором в пропорции 1 (краснозерные) : 2 неаллельных генов по типу эпистаза (розовозерные) : 1 (белозерные) является неаллельных генов по типу результатом взаимодействия: комплиментарное эпистаз Несуществующая разновидность полное доминирование внутриаллельного взаимодействия генов не неполное доминирование относится: кодоминирование аллельных генов по типу неполного При скрещивании двух растений ночной красавицы с красными и белыми цветками доминирования появление в первом поколении гибридов с неаллельных генов по типу полимерии розовыми цветками, а во втором трех неаллельных генов по типу фенотипических классов в пропорции 1:2:1 комплементарности является результатом взаимодействия: неаллельных генов по типу эпистаза Получение в первом поколении неполном доминировании гибридного потомства с одинаковым расщеплении фенотипом и генотипом, но независимого наследования отличающегося от фенотипа родительских сцепленного наследования форм, свидетельствует о: Скрещивание растений ночной красавицы неполного доминирования сцепленного наследования с красными и белыми цветками дает потомство с розовыми цветками в расщепления признаков результате: независимого наследования доминирования Если доминантный ген полностью расщепления подавляет действие рецессивного гена, у промежуточного наследования потомства проявляется закон: независимого наследования признака моногибридного Расщепление по фенотипу во втором анализирующего поколении в соотношении 3:1 характерно дигибридного для … скрещивания полигибридного дигибридного Расщепление по фенотипу во втором анализирующего поколении в отношении 9:3:3:1 характерно моногибридного для … скрещивания полигибридного 68 69 70 71 72 Полесский государственный университет 380 Генетика с основами биометрии 75 Комплементарность – это: 76 Наследование групп крови рассматривается в качестве примера: 77 Частота проявления аллеля гена у разных особей родственной группы организмов – это: ГУ 74 Расположение генов в разных негомологичных хромосомах – это условие: гомозиготной доминантной особи с рецессивной двух гетерозиготных особей гетерозиготной особи с рецессивной двух рецессивных особей независимого наследованяе неполного доминирования полного доминирования расщепления признаков вид неаллельного взаимодействия, когда гены дополняют действие друг друга наличие летальных генов в хромосоме независимое проявление генов, отсутствие доминантно-рецессивных отношений вид взаимодействия аллельных генов, когда ген может быть представлен не двумя аллелями, а большим числом состояний кодоминирования доминирования эпистаза рецессивности пенетрантность экспрессивность эпистаз кодоминирование плейотропия экспрессивность пенетрантность эпистаз эпистаз экспрессивность кодоминирование пенетрантность экспрессивность пенетрантность эпистаз доминирование 9:7 15:1 3:1 13:3 15:1 9:7 3:1 13:3 П ол ес 73 Получить в первом гибридном поколении потомство только с доминантными признаками можно путем скрещивания: 78 Явление одновременного влияния одного гена на несколько признаков: 79 Вид взаимодействия неаллельных генов, при котором один из генов полностью подавляет действие другого: 80 Степень стенотипического проявления гена – это: 81 Наблюдаемое расщепление при комплементарном взаимодействии в F2: 82 Наблюдаемое расщепление при некумулятивной полимерии в F2: Полесский государственный университет 381 Генетика с основами биометрии 85 86 П ол 87 ГУ 84 ес 83 эпистатическими аллельными полимерными кроссоверными полимерия Если признак формируется под влиянием комплиментарныйэпистаз нескольких генов с одинаковым фенотипическим выражением, то имеет доминантный эпистаз место: кодоминирование комплементарность Появление потомства с пурпурными цветками от родительских форм душистого доминантный эпистаз горошка с белыми цветками в результате рецессивный эпистаз взаимодействия неаллельных генов – это: Полимерия цвет глаз молочность, яйценоскость, масса Признак, который не наследуется по типу параметры физической силы и кумулятивной полимерии: умственные способности у человека длина колоса, содержание сахара независимое проявление обоих аллелей в фенотипе у гетерозиготной особи большая степень выраженности признака у гетерозиготы, чем у любой из гомозигот Кодоминированием называется: влияние одного гена на несколько признаков меньшая степень выраженности признака у гетерозиготы, чем у любой из гомозигот находятся в разных локусах негомологичных хромосом сцеплены в хромосоме Гены называются неаллельными, если: расположены в разных хромосомах находятся в половых хромосомах некумулятивной полимерии плейотропии Оперенность ног у кур – это пример: доминантного эпистаза кумулятивной полимерии кумулятивной полимерии плейотропии Наследование цвета кожи у человека является примером: кодоминирования доминантного эпистаза эпистаз полное доминирование Несуществующий вариант неполное доминирование внутриаллельного взаимодействия генов: кодоминирование Если гены расположены в разных парах независимое наследование негомологичных хромосом, то неполное доминирование Гены, подавляющие действие других генов, называются: 88 89 90 91 92 Полесский государственный университет 382 Генетика с основами биометрии проявляется: Взаимодействие аллельных генов является причиной: 94 Эпистазом называется взаимодействие неаллельных генов, при котором: 95 Полимерией называется взаимодействие неаллельных генов, при котором: П ол ес ГУ 93 полное доминирование расщепление признаков промежуточного наследования сцепленного наследования независимого наследования единообразия потомства ген одной аллельной пары подавляет действие гена другой аллельной пары одновременное присутствие в генотипе двух генов разных аллельных пар приводит к появлению нового признака один ген отвечает за проявление нескольких признаков несколько генов влияют на степень проявления одного признака несколько генов влияют на степень проявления одного признака ген одной аллельной пары подавляет действие гена другой аллельной пары один ген отвечает за проявление нескольких признаков гены разных аллельных пар не влияют друг на друга предел модификационной изменчивости признака, обусловленный генотипом тип наследственной изменчивости, обусловленной проявлением различных изменений в генах результат перекомбинаций генов и хромосом слияние гамет при оплодотворении масса животного жирность молока у коров окраска семян семенная продуктивность злаков 9:3:3:1 12:1 1:2:2:1:4:1:2:2:1 3:1 2n 3n (1+3)n (2+1)n комплементарность, полимерия кодоминирование, эпистаз доминирование, сверхдоминирование пенентрантность, экспрессивность 96 Норма реакции – это: 97 Признак с очень широкой нормой реакции: 98 Расщепление, наблюдаемое при дигибридном скрещивании чистых линий по фенотипу в F2: 99 Число возможных комбинаций аллелей в мужских и женских гаметах определяется по формуле: 100 К взаимодействию аллельных генов относятся: Полесский государственный университет 383 Генетика с основами биометрии 102 Количество сперматозоидов, образующихся из 120 сперматоцитов I порядка: 103 Количество сперматозоидов, образующихся из 80 сперматоцитов II порядка: 104 Виды мутаций, согласно классификации, основанной на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом: 105 Яйцеклетка и сперматозоид содержат: 106 Процессы, протекающие в клетках при митозе и мейозе: 107 В процессе мейоза благодаря конъюгации и кроссинговеру могут возникнуть: ГУ Хиазмы наблюдаются во время: П ол ес 101 профазы 1 мейоза телофазы 1 мейоза анафазы 1 мейоза метафазы 1 мейоза 480 60 120 240 160 40 80 320 геномные, хромосомные, геннные спонтанные, рецессивные индуцированные, доминантные молекулярные, клеточные гаплоидный набор хромосом диплоидный набор хромосом небольшой запас питательных веществ большой запас питательных веществ одно удвоение ДНК два деления клетки одно деление клетки два удвоения ДНК новые комбинации генов соматические мутации фенотипические изменения полиплоиды гомологичные хромосомы и локализованные в них гены, контролирующие альтернативные признаки, распределяются по разным гаметам гомологичные хромосомы и локализованные в них аллельные гены при мейозе попадают в одну гамету вероятность расхождения генов по разным гаметам составляет 50% гомологичные хромосомы и локализованные в них гены, контролирующие альтернативные признаки, попадают в одну из гамет участками гомологичных хромосом доминантными генами частями хромосом концами хромосом сцепление генов абсолютно передача наследственной информации 108 Цитологическая основа правила чистоты гамет и закона расщепления заключается в том, что: 109 Кроссинговер – это обмен: 110 Положение, не относящееся к основным положениям хромосомной теории Полесский государственный университет 384 Генетика с основами биометрии Закон Т. Моргана касается: 112 Результатом кроссинговера является: 113 Максимальная величина кроссинговера при сцепленном наследовании не превышает: 114 Схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления, называется: 115 Следствие кроссинговера: П ол ес 111 связана с хромосомами гены в хромосомах расположены линейно гены в хромосоме образуют группу сцепления сцепления генов чистоты гамет дрейфа генов механизма определения пола обмен наследственной информацией между гомологичными хромосомами кратное увеличение набора хромосом уменьшение числа хромосом появление новых сочетаний генов, обеспечивающее количественную изменчивость организма 50% 20% 60% 80% генетической картой геномом генофондом кариотипом перераспределение генов появление новых генов потеря генов ликвидация сцепления мейоза митоза оплодотворения опыления профазе мейоза I процессе оплодотворения интерфазе перед делением клетки профазе мейоза II трансдукция трансфекция ренатурация трансформация сцепленного наследования расщепления неполного доминирования независимого наследования сохранению генофонда популяции повышению жизнеспособности потомства насыщению популяции ГУ наследственности Т. Моргана: 116 Конъюгация хромосом – это соединение двух гомологичных хромосом в процессе: 117 Конъюгация и кроссинговер происходят в: 118 Процесс введения нуклеиновых кислот в клетки организма вирусами: 119 Если гены, отвечающие за развитие нескольких признаков, расположены в одной хромосоме, то проявляется закон: 120 Конъюгация и кроссинговер имеют большое значение для эволюции, так как эти процессы способствуют: Полесский государственный университет 385 Генетика с основами биометрии 121 Частота рекомбинации между генами А и В равна 4%, это означает, что: 122 Попарное сближение гомологичных хромосом с последующим переплетением их хроматид – это: Совокупность генов, находящихся в одной хромосомой называется: Единица измерения расстояния между генами в хромосоме: 125 Число возможных сочетаний хромосом в пыльцевых зернах шафрана, у которого диплоидное число хромосом равно (2n = 6): 126 Разнообразие гамет при 46 хромосомах у человека оценивается как: П ол ес 124 ГУ 123 наследственными изменениями появлению полиплоидов расстояние между генами 4 морганиды вероятность сцепления 4% вероятность сцепления 96% расстояние между генами 96 морганид конъюгация трансверсия инсерция дупликация группой сцепления рамкой считывания Панмиксией Экзоном Морганидах Экзонах Оперонах Нанометрах 8 16 32 64 223 246 223-1 323 Т. Морган Г. Мендель В. Иогансен Т. Бовери гаплоидному набору хромосом диплоидному набору хромосом общему числу генов в хромосоме количеству триплетов в гене кариотипом генотипом фенотипом генофондом Т. Морган Г. Мендель Г. Де Фриз У. Сеттон нормальным числом хромосом (2n) одинарным числом хромосом (n) лишней хромосомой кратным увеличением хромосом 127 Понятие сцепленного наследования ввел: 128 Число групп сцепления соответствует: 129 Совокупность хромосом соматической клетки данного вида называется: 130 Закон сцепленного наследования открыл: 131 Гаплоид – это организм с: Полесский государственный университет 386 Генетика с основами биометрии Пол, имеющий две одинаковые половые хромосомы, называется: 134 Особая форма наследования признака, гены которого расположены в половых хромосомах, называется: 135 Х-сцепленный рецессивный тип наследования заболевания предполагает: 136 Х-сцепленный доминантный тип наследования заболевания предполагает: ГУ 133 аутосомам х-хромосоме у-хромосоме половым хромосомам гетерогаметным гомогаметным голандрическим гермафродитным наследованием, сцепленным с полом сцепленным наследованием наследованием, зависящим от пола цитоплазматической мужской стерильностью высокую частоту встречаемости заболевания среди мальчиков проявление заболевания у обоих родителей обязательную передачу заболевания от отца к сыну заболевание ребенка, при наличии патологии у одного из родителей встречаемость патологии чаще у мальчиков передачу заболевания от отца к дочери рождение у здоровых родителей детей с патологией обязательную передачу наследственного заболевания от отца к сыну только дочерям только сыновьям от отца сыновьям от отца дочерям гомогаметный по х-хромосоме гомогаметный по у-хромосоме гетерогаметный по половым хромосомам гомогаметный по половым хромосомам и интерогаметный по аутосомам изменчивость пенетрантность наследственность размножение размножение пенетрантность экспрессивность генетический код хромосомной П ол ес 132 В генетической детерминации пола у человека основная роль принадлежит: 137 Голандрическое наследование предполагает передачу признака: 138 Мужской пол у человека: 139 Свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями – это: 140 Система записи порядка расположения аминокислот в белке с помощью нуклеотидов ДНК – это: 141 Наследственность, обеспечивающаяся Полесский государственный университет 387 Генетика с основами биометрии генами, которые находятся в ДНК митохондрий называется: 144 145 П ол 146 ГУ 143 ес 142 цитоплазматической сигнальной пластидной хромосомную Гены хлоропластов обеспечивают … пластидную наследственность: сигнальную митохондриальную синдром Дауна (монголоидизм) синдром Лебера (атрофия зрительного Пример митохондриальной нерва) наследственности: синдром Эльфа (аутизм) синдром трипло-Х (суперженщина) оперон Участок молекулы ДНК, ген детерминирующий развитие признака: интрон экзон экспрессивностью пенетрантностью Степень выраженности признака называется … гена активностью эффективностю экспрессивность гена Доля особей в процентах, у которых пенетрантность гена проявляется ожидаемый признак или активность гена фенотип – это: эффективность гена контролирует синтез белковрепрессоров, действующих на геноператор Промотор – это участок оперона, который: взаимодействует с ферментом РНКполимеразой контролирует синтез белков-ферментов запускает синтез белка структурный ген ген-оператор С ферментом РНК-полимеразой взаимодействует: промотор ген-регулятор От 3 до 7 генов только экзоны Оперон эукариот содержит: акцепторные и структурные зоны только интроны регуляторными структурными Гены, регулирующие функцию структурных генов, называются: временными мобильными трансляция Первый этап биосинтеза белка у транскрипция прокариот: процессинг сплайсинг Второй этап биосинтеза белка у прокариот: трансляция 147 148 149 150 151 152 Полесский государственный университет 388 Генетика с основами биометрии Процесс вырезания интронов и образования иРНК – это: 154 Процесс сшивания экзонов – это: 155 Продукты первого этапа биосинтеза белка у прокариот: 156 Продукт второго этапа биосинтеза белка у прокариот: 157 Продукт третьего этапа биосинтеза белка у эукариот: 158 Кодоны терминаторы РНК: П ол ес ГУ 153 транскрипция процессинг сплайсинг трансляция транскрипция процессинг посттрансляционные процессы трансляция транскрипция процессинг сплайсинг про-иРНК иРНК, тРНК, рРНК белок иРНК про-иРНК иРНК, тРНК, рРНК белок иРНК про-иРНК иРНК активный белок полипептид УАА,УГА, УАГ АЦЦ, ЦЦА, ЦАА ГАА, ГУА, ГГЦ ЦГЦ, ЦАА, ААЦ начинает и заканчивает транскрипцию и трансляцию начинает транскрипцию и трансляцию заканчивает транскрипцию и трансляцию разрывает пептидные связи начинает и заканчивает транскрипцию и трансляцию контролирует синапсис парных хромосом в мейозе служит резервом для эволюции регулирует активность генов специфичность триплетность вырожденность неперекрываемость прямая транскрипция редупликация обратная транскрипция прямая трансляция прямая транскрипция 159 Функция кодонов-терминаторов: 160 Функция «молчащей» ДНК: 161 Свойство генетического кода, при котором аминокислота кодируется тремя нуклеотидами: 162 Синтез молекулы ДНК на матрице ДНК – это: 163 Синтез информационной РНК на матрице Полесский государственный университет 389 Генетика с основами биометрии ДНК – это: Синтез ДНК на матрице РНК – это: 165 Метод, позволяющий установить на организменном уровне закономерности наследования признаков путем количественного и качественного анализа потомства: метод дедукции скрещивание особей одного вида скрещивание особей, отличающихся по одной паре альтернативных признаков однократное скрещивание гибридов скрещивание потомков одной пары родителей онтогенетической модификационной фенотипической мутационной передается от отца к сыну проявляется у потомков, родители которых могут не иметь проявления признака проявляется в каждом поколении независимо от пола проявляется у потомков, родители которых могут быть фенотипически здоровы, а ген находится в Х-хромосоме альтернативных вариантов одного признака альтернативных вариантов нескольких признаков альтернативных вариантов двух признаков одного варианта признака гомогаметный гетерогаметный гомозиготный гетерозиготный фенотип генотип геном генетическая система фенотип ГУ 164 редупликация обратная транскрипция прямая трансляция прямая транскрипция редупликация обратная транскрипция прямая трансляция генеалогический анализ селективный отбор гибридологический анализ Моногибридное скрещивание – это: 167 Изменчивость, обусловленная изменением генетического материала, называется: ес 166 Поведение признака при аутосомнорецессивном типе наследования: 169 Аллельные гены отвечают за развитие: 170 Генотип, аллельные гены которого имеют идентичную нуклеотидную последовательность: 171 Совокупность генов в диплоидном наборе хромосом – это: 172 Совокупность всех внешних и внутренних П ол 168 Полесский государственный университет 390 Генетика с основами биометрии признаков организма – это: 174 175 Название первого закона Менделя: Расщепление по фенотипу 3:1 и генотипу 1:2:1 у гибридов второго поколения при моногибридном скрещивании гетерозиготных организмов – это: Независимое наследование признаков у гибридов второго поколения при ди- и полигибридном скрещивании гетерозиготных организмов – это: ГУ 173 генотип геном генетическая система закон расщепления закон единообразия закон независимого наследования закон равновесного состояния генов второй закон Менделя первый закон Менделя третий закон Менделя закон Харди-Вайнберга второй закон Менделя первый закон Менделя третий закон Менделя закон Харди-Вайнберга 1:2:1 3:1 9:3:3:1 1:2 единица строения признак дискретность ген количественные качественные не имеющие четких границ образующие множество фенотипических классов количественные признаки без четких границ менделирующие признаки, образующие множество фенотипических классов количественные качественные признаки, имеющие четкие границы признаки, образующие 1,2,3 фенотипических класса подчиняется законам Менделя подчиняется законам Моргана не подчиняется законам Менделя подчиняется закону Харди-Вайнберга гомозиготное и гетерозиготное доминантное и рецессивное прямое и непрямое полное и частичное комплементарность 177 Любое свойство или показатель организма, который можно измерить или оценить и который позволяет отличить один организм от другого – это: 178 Моногенные признаки: П ол ес 176 Расщепление при моногибридном скрещивании по фенотипу, согласно II закону Менделя: 179 Моногенные признаки: 180 Полигенные признаки: 181 Наследование полигенных признаков: 182 Виды взаимодействия генов: 183 Вид взаимодействия генов, при котором Полесский государственный университет 391 Генетика с основами биометрии конечный признак формируется в результате суммирования нескольких пар генов: Множественный эффект одного гена – это: 185 Виды эпистаза: 186 Аллельное взаимодействие проявляется при … генотипе 187 Среди потомков расщепление по фенотипу и генотипу не совпадает при: 188 Аллельное взаимодействие генов: 189 Изменчивость бывает: П ол ес ГУ 184 эпистаз полимерия плейотропия полимерия плейотропия эпистаз комплементарность доминантный, рецессивный гомозиготный, гетерозиготный комплементарный, некомплементарный прямой, опосредованный доминантном гомозиготном гемизиготном гетерозиготном рецессивном гомозиготном кодоминировании сверхдоминировании полном доминировании неполном доминировании комплементарность эпистаз кодоминирование плейотропия модификационной и генотипической хромосомной и фенотипической ядерной и цитоплазматической геномной и генной наследственности изменчивости адаптации кодоминирования изменением генов изменением среды изменением комбинации генов изменением среды и комбинации генов 2n+1 2n-1 N 3n хромосомная аберрация генная мутация полиплоидия гетероплоидия дупликация транслокация делеция инверсия 190 Проявление новых аллелей в фенотипе организма – это пример: 191 Мутационная изменчивость обусловлена: 192 Общая формула гаплоидии: 193 Трисомия – это: 194 Выпадение участка хромосомы – это: Полесский государственный университет 392 Генетика с основами биометрии 196 Поворот участка хромосомы на 180° - это: 197 Мутации, связанные с изменением структуры гена: 198 Мутации в зависимости от причин возникновения бывают: 199 Соматические мутации возникают в: 200 К химическим мутагенам относятся: ГУ Удвоение участка хромосомы – это: ес 195 делеция транслокация дупликация инверсия делеция транслокация инверсия дупликация хромосомные геномные генные клеточные искусственными и естественными хромосомными и экзонными спонтанными и индуцированными геномными и генными клетках тела гаметах половых клетках гаплоидных клетках токсины вирусы радиоактивное излучение органические и неорганические вещества строение клеток течение физиологических процессов строение тканей генетический аппарат клеток совместное наследование любых генов наследование генов разных хромосом наследование генов, контролирующих сходные признаки совместное наследование генов, локализованных в одной хромосоме горох ночная красавица дрозофилы мыши локус аллель кодон сайт 8,5% кроссоверных потомков 41,5% кроссоверных потомков 10% кроссоверных потомков 1% кроссоверных потомков Мутагены первично изменяют: 202 Сцепленное наследование – это: 203 Объект, на котором проводил исследования Т. Морган: 204 Участок хромосомы, в которой располагается ген: 205 Морганида – условная единица расстояния между генами, соответствующая: П ол 201 Полесский государственный университет 393 Генетика с основами биометрии 207 Сцепленное наследование можно установить с помощью … скрещивания 208 Группа сцепления – это: 209 Сила сцепления генов в хромосоме: 210 Пол будущего организма зависит от: ГУ Генетическое разнообразие гамет обеспечивается: П ол ес 206 конъюгацией кроссинговером и независимым расхождением хромосом репликацией ДНК отсутствием репликации ДНК моногибридного дигибридного анализирующего полигибридного сумма генов гаплоидного набора хромосом сумма генов генотипа совокупность генов кариотипа совокупность генов одной пары хромосом не зависит от взаиморасположения генов прямо пропорциональна расстоянию между генами зависит от состава генов обратно пропорциональна расстоянию между генами обоих родителей не зависит от родителей от гомогаметного родителя гетерогаметного родителя человека дрозофилы мышей кур роль генотипа и факторов среды в развитии наследственных заболеваний; методы их диагностики и коррекции изменения хромосомного набора человека; летальные мутации причины изменения фенотипа; врожденные болезни человека проявления уродств в потомстве; факторы, вызывающие мутации у человека наследственными ненаследственными профессиональными сцепленными с полом фенокопиями генокопиями гомозиготными 211 Гетерогаметный женский пол характерен для: 212 Медицинская генетика изучает: 213 Болезни, причиной которых являются мутации, называются: 214 Болезни, фенотипически сходные с наследственными, называются: Полесский государственный университет 394 Генетика с основами биометрии 216 Популяционно-статистическим методом изучения пользуются в: 217 Метод, основанный на микроскопическом изучении кариотипа: 218 Задачей метода кариотипирования является диагностика … болезней 219 Популяционно-статистический метод исследования позволяет изучать: 220 Генеалогический метод – это метод: ГУ Сфера использования иммунолического, биохимического методов: П ол ес 215 доминантными медицинская генетика селекция цитология паразитология зоологии медицинской генетике анатомии гигиене цитогенетический моделирования биохимический амниоцентез генных хромосомных геномных ненаследственных частоту распределения отдельных генов и генотипов в популяциях генный состав в популяциях соотношение полов в популяциях человека численность популяции изучения рельефа кожи на пальцах, ладонях и подошвах стоп выявления генетических дефектов у плода составления и анализа родословных диагностики полигенных болезней молекулярными доминантными геномными хромосомными диеты, искусственного введения фермента на липосомах, генной терапии хирургического вмешательства переливания крови облучения медико-генетическое консультирование медико-цитологическое консультирование предэмбриональное консультирование постэмбриональное консультирование Аа; ВВ; Вв АА; Вв; ВВ АА; ВВ; вв 221 Заболевания, в основе которых лежат генные мутации, называются: 222 Лечение генных болезней осуществляется с помощью: 223 Система специализированных мероприятий, направленных на предупреждение появления в семье детей с наследственной патологией, называется: 224 Особи только гомозиготными признаками: Полесский государственный университет 395 Генетика с основами биометрии Гомозиготные особи с доминантными признаками: 226 Индивидуальное развитие организма – это: 227 Гаметы – это: 228 Блуждающие генетические элементы называются: 229 Хромосомные мутации можно выявить…методом 230 Полуконсервативным методом осуществляется биосинтез: П ол ес ГУ 225 Аа; ВВ; вв ААВВ ААВв АаВВ ааВв онтогенез филогенез эмбриогенез процесс адаптации к среде обитания соматические клетки половые клетки клетки, которые являются вторичными половыми признаками клетки, образованные в результате оплодотворения транспозонами плазмидами оперонами рестриктазами генеалогическим цитогенетическим биохимическим близнецовым белка РНК ДНК углеводов тимин, мальтаза, кератин тубулин, коллаген, лизоцим лизин, триптофан, метионин аденин, тимин, гуанин глицин, аланин тимин, урацил, гуанин, аденин, цитозин валин, лейцин, изолейцин триптофан, треонин, миозин ДНК т-РНК р-РНК и-РНК триплет ген ДНК нуклеотид цитоплазма митохондрия ядро 231 К аминокислотам относят следующие химические соединения: 232 Азотистые основания: 233 Нуклеиновая кислота с наибольшим молекулярным весом: 234 Единица генетического кода – это: 235 Местонахождение хроматина в клетке: Полесский государственный университет 396 Генетика с основами биометрии Количество хромосом в половых клетках человека: 237 Парные гены, определяющие соответствующий признак организма, - это … гены 238 Элементы рибосом: 239 Ген изначально отвечает за: 240 Часть хромосомы, которая крепится к нитям веретена деления при митозе: 241 Первичная перетяжка хромосомы называется: ес ГУ 236 плазмиды 46 23 46 пар 23 пары аллельные доминантные информационные рецессивные углеводы, РНК белки, ДНК жиры, ДНК белки, РНК образование органа образование организма синтез молекул белка пол центромера центросома клеточный центр эухроматин центросомой хроматином кариоплазмой центромерой аминокислоте белку гену полисахариду триплеты молчащие гены терминаторы точковыемутации амитоза митоза деления клеток мейоза С одной лишней хромосомой без одной хромосомы без одной пары хромосом с гаплоидным набором хромосом рестриктазы трансферазы лигазы лиазы передается от отца к сыну проявляется у потомков, родители Информация одного триплета ДНК соответствует: 243 Кодоны, сигнализирующие об окончании синтеза ДНК: 244 Гаметы образуются в результате: 245 Моносомик – это организм: 246 Ферменты, разделяющие молекулу ДНК на части – это: 247 При голандрическом типе наследования признак: П ол 242 Полесский государственный университет 397 Генетика с основами биометрии 250 П ол 251 ГУ 249 ес 248 которых могут не иметь данного признака проявляется у потомков, родители которых могут быть фенотипически здоровы, а ген находится в Х-хромосоме проявляется в каждом поколении независимо от пола комплекс Гольджи цитоплазма Место синтеза рРНК: эндоплазматическая сеть ядрышки плейотропия Явление, когда гибриды F1 при комплементарность моногибридном скрещивании фенотипически не похожи ни на одного неполное доминирование родителя: эпистаз две субъединицы хромосомы делящейся клетки участки хромосомы в неделящейся Хроматиды – это: клетке кольцевые молекулы ДНК две цепи одной молекулы ДНК кодирование одним триплетом двух и более аминокислот Свойство, которое не относится к специфичность генетическому коду: универсальность избыточность гомологичные хромосомы Структуры, отходящие друг от друга и направляющиеся к разным полюсам клетки негомологичные хромосомы хроматиды негомологичных хромосом во время анафазы первого мейотического деления: хроматиды гомологичных хромосом 1985 г. 1972 г. Первую рекомбинантную ДНК получили в: 1973 г. 1989 г. фрагмент ДНК вируса SW40 и бактериофаг-λ с галактозным опероном Е. соli. Первая рекомбинантная ДНК содержала: только фрагмент ДНК вируса SW40 бактериофаг-λ и аденовирус бактериофаг-λ и вирус папилломы быка 1953 г. 1961 г. Год открытия трехмерной модели ДНК: 1952 г. 1967 г. сочетаний генов Генные (точковые) мутации приводят к аллелей генов возникновению новых: хромосом 252 253 254 255 256 Полесский государственный университет 398 Генетика с основами биометрии 259 260 П ол 261 ГУ 258 ес 257 мобильных генетических элементов 2003 г. 2001 г. Год расшифровки генома человека: 2005 г. 1999 г. трансляция редупликация Процесс сборки полипептидной цепи – это: диссимиляция транскрипция близнецовый Метод, являющийся основным в изучении гибридологический закономерностей наследования, впервые цитогенетический примененный Г. Менделе: генеалогический белки сложные углеводы Информационные биополимеры – это: липиды нуклеиновые кислоты на разных участках негомологичных хромосом на разных участках гомологичных Гены, для которых характерно сцепленное хромосом наследование, находятся: на одинаковых участках негомологичных хромосом на одинаковых участках гомологичных хромосом множественный аллелизм Явление, при котором ген обуславливает и плейотропия серую окраску шерсти, и недоразвитие полимерия рубца у овец: полигенное наследование передаются по наследству степень выраженности в фенотипе зависит от силы и продолжительности действия факторов, вызывающих их Свойство мутаций: носят массовый характер всегда повышают приспособленность организма к внешней среде геномных Выпадение одного нуклеотида ДНК – это генных пример … мутаций хромосомных соматических множественное действие генов Явление, при котором у человека ген полимерия определяет и рыжую окраску волос, и более светлую окраску кожи, и появление генетический полиморфизм веснушек: множественный аллелизм 4 Количество триплетов ДНК, служащих сигналом для рибосомы о прекращении 2 трансляции: 3 262 263 264 265 266 Полесский государственный университет 399 Генетика с основами биометрии 268 Расщепления в F2 по фенотипу 9:3:3:1 характерно для … скрещивания: 269 Гибридологический метод основан на: 270 Расщепление нехарактерно для: 271 Количество пар альтернативных признаков, учитываемых при моногибридном скрещивании: 272 Неактивная часть ДНК, не принимающая участие в трансляциях – это: ГУ Соотношение гибридов в F2: ес 267 1 3:1 погенотипу 3:1 по фенотипу 9:3:3:1 по фенотипу однообразны моногибридного анализирующего дигибридного отдаленного изучении признаков у близнецов анализе хромосомных наборов составлении родословных скрещивании особей гомозигот тригетерозигот гетерозигот дигетерозигот 2 3 1 4 рекон мутон интрон экзон множественным полимерией комплементарным эпистазом 1900 г. 1850 г. 1800 г. 1865 г. два периода четыре периода шесть периодов восемь периодов изменение структуры хромосом или хроматид, возникающее спонтанно или вызываемое действием мутагенных факторов изменение структуры гена, возникающее спонтанно изменение структуры гена, причинами которому являются мутагенные факторы совокупность структурных и функциональных особенностей Взаимодополняющее воздействие неаллельных генов называют: 274 Официальная дата рождения генетики: 275 В развитии и становлении генетики выделяют: 276 Аберрация – это: П ол 273 Полесский государственный университет 400 Генетика с основами биометрии 278 Азотистое основание – это химическое соединение, входящее в состав: 279 Аллели множественные – это: ГУ Аллель – это: П ол ес 277 организма, обеспечивающая ему оптимальную приспособленность к окружающей среде одна из двух (или нескольких) альтернативных форм гена химическое соединение, входящее в состав нуклеиновых кислот любая не половая хромосома ген, представленный в генотипе в единственном экземпляре нуклеиновых кислот ДНК и РНК только ДНК только РНК интронов серия различных возникших мутационным путем аллелей одного гена, происходящих из одного и того же локуса, но отличающихся друг от друга по своему проявлению серия аллелей одного гена, происходящих из разных локусов, не отличающихся друг от друга по своему проявлению объединенные и удвоенные геномы любые не половые хромосомы непрямое деление интерфазного ядра прямое деление интерфазного ядра путем его перешнуровки без возникновения структур, характерных для митоза прямое деление ядра путем его перешнуровки с возникновением структур, характерных для митоза деление ядра в профазу т-РНК и комплементарно взаимодействует с кодоном м-РНК и-РНК, не взаимодействует с кодоном мРНК м-РНК и комплементарно взаимодействует с кодоном и-РНК р-РНК и комплементарно взаимодействует с кодоном т-РНК скрещивание между родственными особями скрещивание животных разных пород скрещивание гибрида первого поколения с любой из родительских форм 280 Амитоз – это: 281 Антикодон находится в структуре: 282 Аутбридинг означает: Полесский государственный университет 401 Генетика с основами биометрии При возвратном скрещивании в схемах подбора сочетаются: 284 Ген-модификатор – это: П ол ес ГУ 283 скрещивание между неродственными особями гибриды первого поколения с любой из родительских форм гибриды любого поколения с любой из родительских форм гибриды с отцовской формой гибриды с материнской формой участок молекулы ДНК, который при взаимодействии с другими генами не изменяет их фенотипическое проявление участок молекулы ДНК, включающий и выключающий структурные гены, входящие в определенный оперон участок молекулы ДНК, управляющий синтезом молекул репрессора, которые затем, соединяясь с геном-оператором, воздействуют на механизм включения структурных генов участок молекулы ДНК, при взаимодействии с другими генами не изменяет их фенотипическое проявление участок молекулы ДНК, включающий и выключающий структурные гены, входящие в определенный оперон участок молекулы РНК, который при взаимодействии с другими генами изменяет их фенотипическое проявление участок молекулы ДНК, управляющий синтезом молекул репрессора, которые затем, соединяясь с геном-оператором, воздействуют на механизм включения структурных генов участок молекулы РНК, воздействующий на механизм включения структурных генов участок молекулы ДНК, управляющий синтезом молекул репрессора, которые затем, соединяясь с геном-оператором, воздействуют на механизм включения структурных генов участок молекулы РНК, воздействующий на механизм включения структурных генов участок молекулы ДНК, включающий и выключающий структурные гены, 285 Ген-оператор – это: 286 Ген-регулятор – это: Полесский государственный университет 402 Генетика с основами биометрии Ген-супрессор – это: 288 При доминировании: П ол ес ГУ 287 входящие в определенный оперон участок молекулы ДНК, который при взаимодействии с другими генами, изменяет их фенотипическое проявление ген, не оказывающий влияния на фенотип, но подавляющий действие других генов участок молекулы ДНК, управляющий синтезом молекул репрессора, которые затем, соединяясь с геном-оператором, воздействуют на механизм включения структурных генов участок молекулы ДНК, включающий и выключающий структурные гены, входящие в определенный оперон при взаимодействии с другими генами изменяет их фенотипическое проявление у гибридных организмов одни признаки подавляются другими в результате инбридинга снижается жизнеспособность изменяется свойство организмов в процессе размножения и индивидуального развития включается транскрипция в результате взаимодействия индуктора с регуляторным белком хромосомная мутация, возникающая в результате двух или большего числа разрывов и поворота участка хромосомы на 180° снижение жизнеспособности в результате инбридинга явление подавления кроссинговера в одних участках хромосомы под влиянием кроссинговера, произошедшего в других ее местах включение транскрипции в результате взаимодействия индуктора с регуляторным белком мутации, возникающие под действием мутагенных факторов в эксперименте. изменения фенотипа под действием преобладающих условий среды хромосомные мутации, возникающие в результате двух или большего числа разрывов и поворота участка хромосомы 289 Инбредная депрессия – это: 290 Индуцированные мутации – это: Полесский государственный университет 403 Генетика с основами биометрии 292 Модификационная изменчивость: 293 Изменчивость, при которой генотип последовательно реализуется в фенотип в ходе онтогенеза, называется: ГУ Конъюгация хромосом – это: ес 291 на 180° изменения генотипа под действием преобладающих условий среды сближение гомологичных хромосом в профазе мейоза сближение негомологичных хромосом в профазе мейоза расхождение гомологичных хромосом в профазе мейоза обмен гомологичными участками гомологичных хромосом изменение фенотипа под действием преобладающих условий среды хромосомная мутация, возникающая в результате двух или большего числа разрывов и поворота участка хромосомы на 180° изменение генотипа под воздействием мутагенов специфический тип наследования, обусловленный генами, проявление которых контролируется полом онтогенетической модификационной фенотипической мутационной чистыми культурами клонами концентрированными культурами колониями факторы внешней среды мутации не расхождение хромосом конъюгация у гибрида проявляются признаки обоих родителей у гибрида преобладает признак одного из родителей гибрид превосходит родительские формы у гибрида признак имеет промежуточное выражение у гибрида возможно проявление признаков обоих родителей у гибрида преобладает признак одного из родителей гибрид превосходит родительские формы 295 Основная причина, приводящая к возникновению анеуплоидов: 296 При полном доминировании: 297 При сверхдоминировании: П ол 294 Культуры особей одного вида, образовавшиеся в результате бесполого размножения одной клетки с одним ядром называют: Полесский государственный университет 404 Генетика с основами биометрии 46 ХУ – признаки женского пола: 299 46 ХХ – признаки мужского пола: 300 Случай трисомии по 18 хромосоме у мальчика: П ол ес ГУ 298 у гибрида признак имеет промежуточное выражение женский псевдогермафродитизм мужской псевдогермафродитизм истинный псевдогермафродитизм истинный гермафродитизм женский псевдогермафродитизм мужской псевдогермафродитизм истинный псевдогермафродитизм истинный гермафродитизм 45 Х/47 ХХХ (50%/50%) 45 ХХ-13 47 ХУ+18 69 ХХУ Полесский государственный университет 405
