УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Пензенский государственный педагогический университет

имени В.Г. Белинского

Кафедра анатомии, физиологии и гигиены человека

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Генетика

Химия

Биология

Пенза - 2007 г.

Тексты лекций

Тема 1. ГЕНЕТИКА – НАУКА О НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ.

ЗАСЛУГИ Г. МЕНДЕЛЯ

Задачи:

1. Познакомить с историей возникновения генетики как науки, заслугами Г.Менделя, его гибридологическим методом исследования, с основными генетическими понятиями и терминами.

2. Научить правильно раскрывать сущность основных понятий генетики.

3. Сформулировать убежденность в том, что знание основных понятий необходимо для понимания важных биологических закономерностей.

Общие закономерности наследования признаков

Для всех эукариот характерны общие закономерности наследо­вания признаков. Эти закономерности сформулированы Г. Менде­лем. Главный постулат Г. Менделя, который он доказал в своих из­вестных экспериментах на горохе, состоит в том, что каждый при­знак определяется парой наследственных задатков, которые позже были названы аллельными генами. С развитием хромосомной тео­рии наследственности было показано, что аллельные гены находятся в гомологичных хромосомах в одинаковых локусах и кодируют один и тот же признак. Пара аллельных генов может быть одинакова (АА или аа), тогда говорят, что особь гомозиготна по данному призна­ку. Если пара аллельных генов альтернативна (Аа), то особь гетерозиготна по данному признаку. Совокупность генов данного орга­низма называется генотипом. Часто под генотипом понимают одну или несколько пар аллельных генов, которые отвечают за один и тот же признак. Совокупность признаков данного организма назы­вают фенотипом. Фенотип развивается в результате взаимодей­ствия генотипа с внешней средой.

Г. Мендель ввел понятия доминантных и рецессивных генов. Аллель, который определяет фенотип гетерозиготы, он назвал до­минантным. Например, ген А в гетерозиготе Аа. Другой аллель, ко­торый не проявляется в гетерозиготном состоянии, он назвал ре­цессивным. В нашем примере это ген а.

Основные закономерности наследования признаков по Менде­лю (закон единообразия гибридов первого поколения, закон рас­щепления на фенотипические классы гибридов второго поколения и закон независимого комбинирования генов в ди- и полигибрид­ных скрещиваниях) реализуются благодаря существованию зако­на чистоты гамет. Суть этого закона состоит в том, что пара аллель­ных генов, определяющая тот или иной признак, никогда не сме­шивается, и в процессе образования гамет расходится в разные гаметы, т. е. в каждую гамету попадает один ген из аллельной пары. Цитологически это объясняется мейозом.

Генетика человека опирается на общие принципы, полученные первоначально в исследованиях на растениях и животных. У человека также имеются менделирующие признаки, которые наследу­ются по законам, установленным Г. Менделем.

Г. Менделем разработан и основной метод генетики — гибридо­логический. Он основан на скрещивании особей одного вида с аль­тернативными признаками и количественном анализе особей в по­лученных фенотипических классах. В настоящее время гибридо­логический анализ является частью генетического анализа. Гибридологический метод в генетике человека не применяется.

Т ема 6.  ГЕНЕТИКА ПОЛА

Задачи :

• Сформировать систему знаний о генетическом определении пола; сцепленном с полом наследовании отдельных признаков и заболеваний.
• Научить объяснять причины равной вероятности рождения лиц обоего пола, причин появления ряда наследственных патологий исключительно у представителей мужского пола.
• Сформировать познавательный интерес к изучению научных проблем, связанных с генетикой пола.

Хромосомный механизм, определяющий пол. В кариотипе че­ловека 46 хромосом (23 пары), из них 22 пары хромосом одинако­вы у мужчин и женщин (аутосомы), а по одной паре хромосом, на­зываемой половой, мужчины и женщины отличаются. Половые хро­мосомы женщины — XX, половые хромосомы мужчины — XY (см. главу 6). Половые хромосомы представлены в каждой соматичес­кой клетке индивида. При образовании гамет во время мейоза гомологичные половые хромосомы расходятся в разные половые клет­ки. Следовательно, каждая яйцеклетка имеет 22 аутосомы и 1 по­ловую хромосому Х (гаплоидный набор хромосом равен 23). Каждый сперматозоид также имеет гаплоидный набор хромосом (22 аутосомы и 1 половая). Половина сперматозоидов содержит Х-хромосому, другая половина — Y-хромосому.

Поскольку у женщин половые хромосомы одинаковы и все яй­цеклетки несут Х-хромосому, то женский пол у человека называют гомогаметным. У мужчин сперматозоиды различаются по наличию половых хромосом (X или Y), следовательно, мужской пол называ­ют гетерогаметным.

Пол человека определяется в момент оплодотворения. Женщи­на имеет один тип гамет (X) мужчина — два типа гамет (X и Y), причем они образуются в равной пропорции согласно законам мей­оза. При оплодотворении хромосомные наборы гамет объединяют­ся. В зиготе 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом. Если яйцеклетка оплодотворена сперматозоидом с Х-хромосомой, то в зиготе пара половых хромосом XX. Из такой зиготы развивается девочка. Если яйцеклетка оплодотворена сперматозоидом с Y-xpo-мосомой, то набор половых хромосом в зиготе XY. Такая зигота даст начало мужскому организму. Таким образом, у человека пол буду­щего ребенка определяет мужчина, так как он гетерогаметен по по­ловым хромосомам. Соотношение полов при рождении по данным статистики соответствует примерно 1:1.

Наследование признаков, сцепленных с полом. Хромосомы Х и Y гомологичны, так как у них есть общие гомологичные участки, где локализованы аллельные гены. Однако эти хромосомы, несмот­ря на гомологию отдельных локусов, различаются по морфологии. Помимо общих участков Х- и Y-хромосомы имеют большой набор генов, по которым они различаются. В Х-хромосоме имеются гены, которые отсутствуют в Y-хромосоме, в свою очередь, в Y-хромосо-ме имеются гены, которых нет в Х-хромосоме. Таким образом, у мужчин в половых хромосомах имеются гены, которые не имеют второго аллеля в гомологичной хромосоме. В этом случае признак определяется не парой аллельных генов, как обычно менделирую-щий признак, а только одним аллелем. Такое состояние гена назы­вается гемизиготным. Признаки, развитие которых обус­ловлено одним аллелем, расположенным в одной из альтернатив­ных половых хромосом, называются сцепленными с полом. Они развиваются преимущественно у одного из двух полов. Эти при­знаки наследуются по-разному у лиц мужского и женского пола.

Признаки, сцепленные с Х-хромосомой, могут быть и рецессив­ными, и доминантными. Рецессивные признаки — гемофилия, даль­тонизм, атрофия зрительного нерва и миопатия Дюшена. Доминан­тные — рахит, не поддающийся лечению витамином D, и темная эмаль зубов.

Рассмотрим сцепленное с Х-хромосомой наследование на при­мере рецессивного гена гемофилии. У мужчины половые хромосо­мы XY. Ген гемофилии локализован в Х-хромосоме и не имеет ал­леля в Y-хромосоме, т. е. находится в гемизиготном состоянии. Сле­довательно, несмотря на то, что признак рецессивный, у мужчин он проявляется.

У женщин половые хромосомы XX. Признак определяется па­рой аллельных генов, поэтому гемофилия проявляется только в гомозиготном состоянии:

Основные формальные характеристики Х-сцепленного рецес­сивного наследования следующие. Обычно поражаются мужчины. Все их фенотипически здоровые дочери являются гетерозиготными носительницами, так как от отца в процессе оплодотворения получают X-хромосому:

Среди сыновей гетерозиготных матерей соотношение пораженных и непораженных 1:1.

Такое наследование получило название крисс-кросс (крест-на­крест), т. е. сыновья наследуют фенотипический признак матери, а дочери — отца.

Законы передачи признаков, сцепленных с Х-хромосомами, были впервые изучены Т. Морганом.

Помимо Х-сцепленных признаков, у мужчин имеются Y-сцепленные признаки, называемые голандрическими. Гены, определя­ющие голандрические признаки, локализованы в тех районах Y-xpo-мосом, которые не имеют аналогичных участков в Х-хромосоме.

Эти признаки также определяются только одним аллелем. Так как голандрические признаки определяются генами, нахо­дящимися только в Y-хромосоме, то выявляются они у мужчин и передаются от отца всем сыновьям. Голандрические признаки: во­лосатость ушей, перепонки между пальцами ног, ихтиоз (кожа имеет глубокую исчерченность и напоминает рыбью чешую).

Гомологичные районы Х- и Y-хромосом содержат аллельные гены. Они с равной вероятностью встречаются у лиц мужского и женского пола. К числу таких признаков относятся общая цвето­вая слепота (отсутствие цветового зрения) и пигментная ксеродер­ма — заболевание, при котором под влиянием ультрафиолетовых лучей на открытых частях тела образуются опухоли. Оба признака являются рецессивными. Признаки, которые определяются аллель-ными генами, находящимися в Х- и Y-хромосомах, наследуются как классические менделирующие признаки.

Наследование ограниченное и контролируемое полом. Призна­ки человека, наследование которых каким-то образом связано с полом, подразделяется на несколько категорий.

Одна из категорий — признаки, ограниченные полом. Развитие этих признаков обусловлено генами, расположенными в аутосомах обоих полов, но проявляющимися только у одного пола. Например, гены, определяющие ширину таза женщины, локализованы в ауто­сомах, наследуются и от отца, и от матери, но проявляются только у женщин. То же касается возраста полового созревания женских индивидов. Среди мужских признаков, ограниченных полом, мож­но назвать количество и распределение волосяного покрова на теле.

К иной категории относятся признаки, контролируемые полом или зависимые от пола. Развитие этих соматических признаков обусловлено генами, расположенными в аутосомах. Проявляются ониу мужчин и женщин, но по-разному. Например, у мужчин ран­нее облысение — признак доминантный, он проявляется у доми­нантных гомозигот (АА) и у гетерозигот (Аа). У женщин этот при­знак рецессивный и проявляется только у рецессивных гомозигот (аа). Для признаков, контролируемых полом, выраженность обус­ловлена в большой степени половыми гормонами.

Свойства гена

Как единица функционирования ген имеет ряд свойств:

· аллельное состояние (2, 3 и более альтернативных варианта). В зависимости от сочетания аллелей может наблюдаться гомозиготность или гетерозиготность;

· дискретность – развитие разных признаков контролируется разными генами. Менделирующие признаки: 1 ген – 1 фен;

· дозированность – ген обусловливает развитие признака до определенного количественного предела (дозы). Например: размер ушной раковины, длина спинки носа;

· специфичность – определенный ген обусловливает развитие определенного (специфического) признака или их группы (плейотропное действие гена);

· стабильность – при отсутствии мутации ген передается в ряду поколений в неизменном виде.

Гены подразделяются на аллельные и неаллельные, в связи, с чем выделяют и типы их взаимодействия.

Проект « Геном человека»

Цель проекта: определение полной нуклеотидной последовательности молекул ДНК человека и идентификация всех генов.

Исследования были начаты сотрудниками Института геномных исследований (США) в 1992г. На базе института в 1998г. была создана коммерческая компания «Селера джиномикс», в финансировании которой приняли участие частные фирмы. Именно эта компания первой объявила о завершении работ по расшифровке ДНК человека. Согласно результатам, геном человека составляет около 32тыс генов и вряд ли превышает 35тыс. Уровень точности можно считать удовлетворительным: 1 ошибка на 10⁴  нуклеотидов для 80% генома и 1 ошибка на 10 ⁶ нуклеотидов - для 20% генома. Лучше всего расшифрована нуклеотидная  последовательность двух самых маленьких хромосом человека - 21-22-й.

Интересным является тот факт, что коммерческие компании, по сравнению с научными коллективами, не обязаны предавать гласности все свои результаты. Заявление сделано, но сами последовательности в полном объеме в международный банк данных переданы не были. В настоящее время готовятся заявки на патенты, т.к. результаты принесут прибыль фармацевтическим, медицинским и сельскохозяйственным компаниям.

Правительства США, Японии, Великобритании, Германии, Франции стали выделять на работы по проекту «Геном человека» миллиарды долларов. Россия в начале создания проекта участвовала на равных условиях, но затем фактически приостановила свои вклады, и в будущем будет в экономической зависимости от этих стран, хотя многие специалисты, получив образование на родине, мигрировали в США и Западную Европу.

Свойства генетического кода

1. Генетический код триплетен. Триплет (кодон) — последовательность 3-х нуклеотидов, кодирующая 1 аминокислоту.

2. Генетический код вырожден (причем неравномерно). Из 64 триплетов 3 кодона УУА, УАГ, УГА не кодируют аминокислот. Первоначально их назвали нонсенс-кодонами, а позже - терминирующими кодонами или стоп-сигналами, т. к. они останавливают биосинтез белка. Оказалось, что 1 аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (2-мя, 3-мя, 4-мя). Исключение составляют: мепшонин (АУГ) и триптофан (УГГ) - они кодируются только одним триплетом. Если бы из 64 кодонов - 20 кодировали аминокислоты, а 44 - ничего не значили, т. е. 1 кодон = 1 аминокислоте, код считался бы невырожденным.

Следует помнить: если триплет АУГ стоит в начале цепи ДНК, он не кодирует аминокислоту метионин, а выполняет функцию инициирования считывания информации.

3. Однозначность - каждому кодону свойственна только одна определенная аминокислота. АГГ – ТАЦ – ААА – ТЦГ

4. Генетический код не перекрываем - синтез идет непрерывно, начавшись на определенном кодоне, процесс трансляции идет без пропусков, без каких-либо вставок вплоть до стоп-сигнала. / Инициирующий триплет - триплет - триплет - триплет - стоп-сигнал /. Последовательность триплетов определяет рибосома.

5. Генетический код универсален - он един для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (кошка, мышь, человек, слон, бабочка, растение). Информация в ядерных генах кодируется одинаково. Аминокислоты не имеют видовых различий.

Главный вывод:

Расшифровка генетического кода позволила:

• Понять механизм синтеза белка

• Связать между собой дефекты синтеза определенных белков человека и наследственные заболевания

• Создала необходимые предпосылки для диагностики и лечения заболеваний.

В последние десятилетия было доказано, что при считывании информации очень важное значение имеет положение 1-го кодона (триплета). Оно определяется так называемой рамкой считывания. При сдвиге рамки считывания (выпадении или добавлении нуклеотидов) при последующей сборке белка в нем будет нарушена последовательность аминокислот. Это называется мутацией со сдвигом рамки.

• Ученые считают, что единство генетического кода подтверждает тот факт, что все современные клетки являются потомками некогда 1 примитивной линии клеток, разработавшей биосинтез белка.

Последовательность триплетов м-РНК, определяющей порядок расположения аминокислот в молекуле белка, соответствует комплиментарным кодонам гена, локализованного в структуре ДНК. Это свойство названо коллинеарностью, что означает

соответствие последовательности аминокислот белка кодонам, расположенным в гене.

Комбинативная изменчивость

Этот тип изменчивости возни­кает в результате комбинирования генов родителей. По этой при­чине у детей могут появляться новые признаки. Причины комбинативной изменчивости различные: мейотический кроссинговер, свободное сочетание хромосом и генов, случайное слияние гамет с различным набором генов при оплодотворении.

Комбинативная изменчивость у людей может быть связана с миграционными процессами. В последнее время все чаще отмечаются браки между супругами, родившимися в различных регионах одной стра­ны или разных стран, межнациональные браки. Это может приво­дить к оплодотворению гамет, различных по генному набору, и др.

Комбинативная изменчивость делает организмы более пластич­ными; они лучше приспосабливаются к меняющимся условиям ок­ружающей среды, способствуя выживаемости вида. Примером комбинативной изменьчивости у человека может служить развитие групп крови системы АВО. Если мать имеет группу крови III (BO), а отец гетерозиготен по группе крови II (AO), то у детей возможна IV (AB) или I (OO) группы крови, отсутствующие у их родителей.

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость по характеру изменения генотипа делится на генные (точковые) мутации, хромосомные и геномные. Отдельно выделяют цитоплазматические мутации, причиной кото­рых является изменчивость определенных органоидов цитоплазмы (пластид, плазмид, митохондрий и др.), содержащих ДНК или РНК.

Генные мутации

Генные мутации — это изменения, происходящие в пределах од­ного гена. В результа­те генных мутаций у человека возникает большое число болезней обмена веществ (галактоземия, фенилкетонурия, алкаптонурия и др.). В настоящее время их число превышает 3,5 тыс. Известно, что один и тот же ген может мутировать в несколько аллельных состо­яний, образуя серию множественных аллелей. По этому типу на­следуются такие признаки, как группы крови системы АВО у чело­века, окраска шерсти у кроликов, наличие светлых пятен на листь­ях у клевера и др. Поскольку у диплоидных организмов в одной хромосоме не более двух аллелей одного гена, то наследование бу­дет происходить в соответствии с законами Г. Менделя.

Генные (точковые) мутации

Ген представляет собой определенный участок ДНК. ДНК, в свою очередь, полимер, состоящий из мономеров (нуклеотидов 4 типов, отличающихся азотистым основанием). Азотистое основание может быть 4-х типов: А - аденин; Г - гуанин; Т - тимин; Ц - цитозин. Последовательность нуклеотидов - видоспецифична. Генные мутации не случайно назвали точковыми, так как связаны с изменением 1-го (реже нескольких нуклеотидов) в молекуле ДНК или РНК.

Выделяют несколько групп генных мутаций:

1. Транзиции (один пурин ошибочно заменен другим пурином или один пиримидин ошибочно заменен другим пиримидином). Замена нуклеотидов не изменяет ориентацию молекулы ДНК в пределах пары. Возможно 4 типа ошибок.

а) А – Т, б) Г – Ц, в) Т ­– А, г) Ц – Г.

2. Трансверсии (мутации, связанные с ошибочной заменой пурина на пиримидин). Возможно 8 типов ошибок, в общей сумме они составляют >20% спонтанных мутаций. Замена пуринового основания на пиримидиновое, происходит как спонтанно, так и под действием мутагенов. К числу пуринов относятся: А, Г; к числу пиримидинов: Т и Ц. 

3. Мутации со сдвигом рамки считывания (фреймшифт). Сдвиг рамки считывания вправо или влево происходит за счет: вставки лишней пары нуклеотидов (инсерция), удвоения (дупликация); выпадения пары нуклиотидов (делеция). В результате меняется триплетность кода, а, следовательно, и последовательность аминокислот в молекуле синтезируемого белка. В результате сдвига рамки считывания может возникнуть сутуация, связанная с образованием мутантного нонсенс-кодона - УАА, УАГ, УГА – который является стоп-сигналом. Синтез белковой молекулы остановится в неположенном месте, она будет незаконченной, следовательно, нарушатся и основная функции белка. Такие мутации называются нонсенс–мутациями, они связаны с появлением кодонов-терминаторов. Чем ближе к 5 концу (к началу транскрипции), тем короче будет белковая молекула. Наибольшее повреждающее действие оказывают именно нонсенс-мутации.

Мутации возникают либо в момент репарации (т.е. самовостановления; при внешнем повреждении), либо как побочный продукт нормального процесса клеточной физиологии, в момент репликации (удвоения ДНК) и рекомбинации. Такая концепция получила название «ошибки трех Р», т.е. репарации, репликации, рекомбинации. Ошибка может происходить спонтанно (когда мы переписываем текст с учебника в тетрадь – то часто допускаем орфографические ошибки – вместо о - а, вместо е - и), и индуцированно (т.е. под влиянием мутагенов внешней среды).

Пример. У человека известна наследственная патология – серповидно-клеточная анемия. Формирование серповидной формы эритроцитов - результат точечной мутации. Сдвига рамки не произошло, но один из триплетов кодирует иную аминокислоту. Последствия роковые: эритроциты деформируются, приобретают серповидную форму и не способны нормально транспортировать газы.

Не все точковые мутации имеют фенотипическое проявление. Существует группа «молчащих» мутаций, для них характерно образование синонимического кодона. Дело в том, что в связи с вырожденностью генетического кода, ошибочная замена нуклеотита в 3-ей позиции триплета не оказывает влияния на изменение аминокислоты по данному триплету. Следовательно, частота произошедших мутаций и фенотипически выявленных при этом мутантов может не совпасть. Пример: аминокислота валин кодируется 4-мя триплетами: ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ. Замена нуклеотида в третьей позиции не приведет к замене аминокислоты валин. Последовательность аминокислот в кодируемом белке не нарушится.

Главный вывод: Значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна – замена первого и второго нуклитидов всегда ведет к изменению (замене) аминокислоты. Миссенс–мутация предполагает полную или частичную потерю функциональной активности белка. 3-й нуклеотид в большинстве случаев является синонимичным.

Среди наследственных заболеваний, вызванных генными мутациями, следует назвать следующие патологии:

а) аутосомно-доминантного типа – арахнодактилия, нейрофиброматоз;

б) аутосомно-рецессивного типа – амавротическая идиотия, альбинизм, галактоземия;

в) сцепленные с полом: гемофилия, дальтонизм, некоторые формы аллергических реакций.

В настоящее время общее число наследственных заболеваний составляет, по разным источникам, от 2,5-4 до 7-9 тыс. Они вызывают аномалии обмена в-в, нарушения конституции, психические заболевания. Причина – генные мутации, хромосомные аберрации.

Генные мутации нередко приводят к явлению, названному множественным аллелизмом. В этом случае, в популяции ген может быть представлен 3-мя или даже серией альтернативных аллелей. Генные мутации вызывают изменение признака в разных направлениях: морфологических, биохимических, физиологических. Причем, изменения эти могут быть сильно и слабо выражены.

По функциональному значению генные мутации делятся на 3 класса:

• Полная потеря исходной функции белка.
• Количественные изменения м-РНК и первичных белковых продуктов.
• Изменение св-ва белковых молекул, негативно влияющих на жизнедеятельность клеток или организма вцелом.

Известный генетик Ф.Г. Добжанский в свое время писал: «Если мы сохраняем слабых и генетически больных детей и даем им с возрастом возможность продолжения рода, мы можем опасаться заката генетического. Но если мы дадим им умереть или страдать, в то время как можем помочь, мы, несомненно, предвидим закат моральный. По мнению генетиков в XXI веке метод генотерапии станет общедоступным.

Межхромосомные перестройки

Межхромосомные перестройки — транслокации — характеризу­ются перемещением участка одной хромосомы на другую (негомологичную) хромосому. Различают реципрокные и нереципрокные транслокации (транспозиции). В первом случае происходит взаим­ный обмен участками негомологичных хромосом, во втором — уча­сток хромосомы изменяет свое положение или включается в дру­гую хромосому без взаимного обмена. Робертсоновские транслокации образуются при слиянии двух центромер акроцентрических хромосом. В результате возникает одна мета- или субметацентрическая хромосома и число хромосом в клетке уменьшается на одну.

1) Транслокации – перемещение части 1 хромосомы на другую, не гомологичную (те не парную) ей. В результате группы сцепления генов нарушаются (зачастую приводя к летальному исходу). Выделяют 2 типа транслокаций:

а) реципрокные – взаимный обмен участками негомологичных хромосом (меняется характер сцепления генов, коньюгация, образуется фигура креста).

б) нереципрокные – участок 1 хромосомы включается в другую, без взаимного обмена.

К эволюционным преобразованиям приводят дицентрические слияния, когда 2 и более фрагмента негомологичных хромосом, несущих участки с центромерами, соединяются в единую структуру (центромеры при этом объединяются). Наиболее показательными, в этом плане, являются центрические (робертсоновские) – слияние двух центромер негомологичных акроцентрических хромосом с образованием 1 мета- или субметацентрической хромосомы.

У человека 2n = 46 хромосом. У шимпанзе 2n = 48 хромосом. Как оказалось, вторая хромосома человека содержит большую часть материала, гомологичного дополнительной паре хромосом шимпанзе. Помимо слияний, возможно и центрическое разделение – 1 хромосома делится на 2, с образованием новой центромеры (участок хромосомы без центромеры утрачивается, а с центромерой может реплицироваться).

2. Транспозиции  - перемещение небольших участков генетического материала между разными хромосомами или в пределах 1 и той же при участии особыхмигрирующих генетических элементов – (транспозонов, IS–элементов).

Хромосомные аберрации представляют собой разные варианты перемещений генов, нередко приводящих к изменению и самой структуры хромосомы.

Геномные мутации

Геномные мутации — полиплоидия и гетероплоидия — обуслов­лены изменением числа хромосом в кариотипе.

- полиплоидные (полиплоидия от греч. poli – много, ploidia – одиночный, вид);

- анеуплодные.

Полиполоидия – изменение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. Полиплоидные формы можно получать искусственно: действием колхицина, температурного шока, наркотических  веществ и др.).

У человека 1n = 23 хромосомы – гаплойдный набор,

               2n = 46 хромосом – диплойдный,

               3n = 69 хромосом – триплоидия,

               4n = 92 хромосомы – тетраплоидия.

Среди животных организмов полипоидия встречается крайне редко. При половом размножении процессы мейоза нарушены. Вместе с тем, активно синтезирующие клетки нередко содержат дополнительный набор хромосом (в клетках печени человека нередко насчитывается 69, 92 хромосомы и это нормально). Среди процессов, ведущих к полиплоидному состоянию клетки, следует назвать эндомитоз – удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения по разным клеткам. У человека эндомитоз часто наблюдается в соматических тканях после воздействия мутагенов.

Примечательно, что в эмбриогенезе человека такая аномалия хромосомного набора, как триплоидия (3n), встречается с  частотой около 2% от всех хромосомных нарушений. Триплойдные зародыши погибают в начале 2-го месяца внутриутробного развития, а до возраста 6 – 7 месяцев (эмбриогенез) доживают не более 1 %.  Синдром триплоидии (69, XXY) у новорожденных вперые был обнаружен в 60-х годах ХХ столетия. К настоящему времени списано свыше 60 случаев триплоидии у детей, максимальная продолжительность жизни которых составила 7 дней. Она сопровождалась многочисленными пороками развития: пороки головного мозга, сердца, желудочно-кишечного тракта и др. органов.

Тетраплоидия (4n) встречается еще реже – из всех зародышей с хромосомными аномалиями лишь у 5–6 % . Для них характерны серьезные проки развития, зародыш редко вступает в плодный период, погибая на 2-м месяце. Всего описано 5 случаев рождения детей с тетраплоидией, которые вскоре погибли.

Помимо полиплоидии, у человека возможен мозаицизм — нали­чие генетически разнородных клеток в организме. Это связано с нарушениями в период соматического развития. В результате внут­ри одного фенотипа появляются участки нового фенотипа. Извест­но, что интерсексьг часто содержат клетки с разным набором поло­вых хромосом, например, 45,ХО; 46,ХХ, тогда как гермафродиты могут иметь 46,ХХ; 46,XY. Причины их образования различны: оп­лодотворение разными спермиями, слияние двух оплодотворенных яйцеклеток, ошибки в период первого дробления и др.

Растения могут размножаться вегетативно, поэтому среду них полиплоидия представлена достаточно широко. Следует помнить, что растительные полиплоиды с нечетным набором хромосом 3n, 5n, 7n, - стерильны, тогда как 4n, 6n, 8n вполне плодовиты (сбалансированные).

Большенство с/х растений относятся к разряду полиплоидов: крупная листовая пластинка, крупные цветки, крупный плод, повышенная сахаристость, повышенное содержание витаминов. Полиплоидные формы очень широко представлены в северных широтах, высоко в горах – быстрая вегетация (в связи с коротким летом), на фоне ограниченной плодовитости.

В селекции используются полиплоиды двух видов: авто- и аллополиплоиды. Если мы имеем дело с кратным увеличением хромосом 1-го вида – это автополиплоиды. Организм, содержащий хромосомы разных видов называется аллополиплоидом  (капустно-редичный гибрид, полученный при отдаленной гибридизации). Наряду с полиплоидами существуют моноплоидные организмы (трутни пчел) – развиваются из неоплодотворенного яйца. В природе есть виды с чередованием гапло- и диплофазы.

Анеуплоидия (гетероплоидия) – изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору. Хромосома той или иной пары может полностью отсутствовать или, наоборот, быть повтореной трижды, четырежды и более раз:

2n–2 - «нуллисомик» - нет пары гомологичных хромосом.

2n–1 - «моносомик» - нет одной хромосомы в паре.

2n+1 - «трисомик» - в паре 1 лишняя хромосома.

2n+2 – в паре 2 лишние (дополнительные хромосомы).

Анеуплоидия чаще всего возникает в результате неправильного расхождения хромосом в мейозе (анафаза–I, анафаза–II). В результате возникают аномальные по количеству хромосом гаметы, а после оплодотворения – гетероплоидные зиготы.

Плазмиды

В самых первых лекциях говорилось о том, что генетики научились внедрять в бактерии гены, контролирующие образование функционально активных белков человека. Вся процедура именуется клонированием генов или амплифицированием. Белки, которые раньше получали в ничтожно малом количестве, теперь нарабатывают в достаточно большом. В основе этой технологии лежит необычный принцип:

Бактерии (E.coli), помимо своей собственной кольцевой хромосомы, часто содержат дополнительные маленькие кольцевые молекулы двухцепочечной ДНК, называемые плазмидами. Мутации, связанные с плазмидами позволяют бактериям перейти на новый вид питания. Плазмиды реплицируются автономно, и сами могут содержать гены, определяющие устойчивость бактерий к антибиотикам или/и гены, контролирующие синтез веществ, убивающих другие бактерии (например, колицины).

Плазмидную ДНК можно выделить, затем подходящей рестриктазой расщепить в 1-ом сайте, превратив тем самым кольцевую молекулу в линейную с липкими концами. Фрагменты любой чужеродной ДНК с липкими концами, уже при помощи лигаз можно «сшить» с плазмидной ДНК в общее кольцо. Рекомбинантную конструкцию вводят в бактерию, где она реплицируется. Откуда взят фрагмент экзогенной ДНК – значения не имеет. Можно вшивать даже искусственно синтезированные гены. Если мы внедрили плазмиду с фактором устойчивости к антибиотику, то E.coli будет давать колонию на субстрате с антибиотиком. Нетрансформированные E.coli  при этом расти не будут.

Организм человека является средой обитания для сотен видов бактерий и вирусов. С биологической точки зрения организм человека представляет собой целую систему сосуществующих организмов-симбионтов. Далеко не все из симбионтов патогенные. Без некоторых видов бактерий человек просто не способен существовать, их утрата или снижение количества является причиной развития ряда тяжелых заболеваний. Расшифровка геномов многих болезнетворных микроорганизмов с идентификацией всех белков поможет разработать методы предупреждения и лечения инфекционных болезней.

Оказалось, что геномы многих паразитирующих микроорганизмов обладают огромной пластичностью, имеются значительные структурные различия между штаммами бактерий, обитающих в разных частях одного организма. Для развития инфекционного процесса большое значение имеет генетический статус самого хозяина. Например, отдельные индивидуумы являются носителями вируса иммунодефицита, но СПИДом не болеют. У этих лиц имеется мутация в гене, кодирующем поверхностный белок, ответственный за попадание вируса внутрь лимфоидных клеток. Плотность белка на поверхности клеток снижена, вирус удерживается, но внутрь не попадает. Частота гомозигот по этой мутации среди жителей Европы составляет около 1%, они имеют выраженную устойчивость к ВИЧ-инфекциям. Более устойчивыми оказываются и гетерозиготные носители мутации, в российской популяции их частота достигает 13%.

Общий вывод: митохондрии животных и растений, пластиды растительных клеток, плазмиды бактерий содержат собственную автономную ДНК, которая способна реплицироваться, транскрибировать рРНК, тРНК с последующим их участием в белковом синтезе. Органоиды цитоплазмы (хлоропласты, митохондрии), обладающие собственной автономной ДНК, образуют совокупность наследственных задатков, именуемую плазмоном. Кроме ядерной наследственности существует и цитоплазматическая.

Типы деления клеток

Митоз - тип деления клеток, при котором из одной диплоидной клетки (2п=46) образуются две диплоидные, генети­чески равнозначные клетки. Процесс митоза в соматических клет­ках человека идет стандартно. К концу профазы хромосо­мы становятся отчетливо видимыми, каждая состоит из двух хроматид. Обе сестринские хроматиды прилежат одна к другой. Центромера в каждой хромосоме удерживает две сестринские хро­матиды вместе. Ядрышко исчезает, ядерная оболочка распадается на фрагменты. Хромосомы располагаются в цитоплазме в централь­ной части клетки, оттесняя все органоиды к периферии.

Во время метафазы центромеры всех хромосом располагаются в экваториальной плоскости между двумя полюсами. Хроматиды каждой хромосомы начинают отделяться одна от другой, оставаясь соединенными только в центромерной области. В районе центро-мер с противоположных сторон прикреплены нити веретена деле­ния. Их количество может достигать нескольких десятков в районе каждой центромеры.

Анафаза начинается с одновременного разделения всех центромер и расхождения сестринских хроматид каждой хромосомы к противоположным полюсам. Утрата синхронности процесса может привести к неправильному расхождению хромосом. Центромеры с помощью нитей веретена деления увлекают за собой дочерние хро­матиды к противоположным полюсам. Анафаза заканчивается с прекращением движения хроматид, которые становятся хромосо­мами. У каждого полюса клетки должно оказаться по 46 хромосом, состоящих из одной хроматиды.

Телофаза связана с образованием ядерных оболочек вокруг хро­мосом на двух полюсах клетки и началом перехода хромосом в со­стояние хроматина. Завершается телофаза образованием перетяж­ки в центральной части делящейся клетки, которая завершает де­ление клетки надвое.

Известно, что у эукариот прохождение митоза может быть заб­локировано физиологически или экспериментально, что приводит к развитию полиплоидных клеток. Системная полиплоидия не ха­рактерна для человека. Полиплоидные эмбрионы погибают на ран­них стадиях развития, что является одной из причин спонтанного прерывания беременности на ранних сроках. В то же время нали чие полиплоидных клеток в некоторых органах человека не явля­ется патологией. Например, полиплоидные клетки встречаются в сердечной мышце, особенно в предсердиях, в печени и некоторых железах. Они могут быть одно- и двуядерными, уровень полиплои­дии невысок и обычно находится в пределах 4—8п.

Мейоз - особый тип клеточного деления, возникновение которого связано с появлением полового размножения. При по­ловом размножении два родителя — отец и мать — дают начало новому организму. При оплодотворении сливаются ядра поло­вых клеток родителей, что увеличивает вдвое количество хромо­сом в зиготе. Следовательно, образование половых клеток долж­но быть связано с уменьшением количества хромосом в два раза, но таким образом, чтобы совокупность генетического материала

обеспечивала преемственность поколений. Закономерное чередо­вание репликации ДНК и, соответственно, xromocom, митозов и мейозов обеспечивает сохранение видоспецифического кариоти-па как в индивидуальном развитии — онтогенезе, так и в череде поколений организмов.

В процессе мейоза из одной диплоидной клетки (2п=46) обра­зуются 4 гаплоидные клетки (п=23). Кроме того, в мейозе проис­ходит два вида перегруппировки генетического материала хромо­сом, т. е. два вида генетической рекомбинации: 1) независимое рас­пределение гомологичных хромосом из разных пар к полюсам деления; 2) кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. Эти процессы обеспечивают широчайший спектр наследственной изменчивости, генетическую неповторимость ин­дивидов даже среди потомков одной пары родителей.

Мейотическое деление у человека не имеет каких-то коренных отличий от мейоза других эукариот. Оно состоит из двух, следую­щих друг за другом делений, между которыми не происходит удвое­ния ДНК, а следовательно, и хромосом.

Перед мейозом обязательно проходит интерфаза, в S-периоде которой ДНК реплицируется. Следовательно, в профазе первого мейотического деления выявляющиеся нитевидные хромосомы со­стоят из двух хроматид. Каждое из двух делений мейоза состоит из про-, мета-, ана- и телофазы с индексами I или II.

Первое мейотическое деление протекает значительно дольше, чем второе. Самой длительной фазой первого мейотического деле­ния является профаза, так как именно в этой фазе происходят та­кие сложные процессы, как образование бивалентов из гомологич­ных хромосом и кроссинговер.

Профаза мейоза I подразделяется на 5 подфаз: лептотена, зиго-тена, пахитена, диплотена, диакинез.

Лептотена — стадия тонких нитей. Ядра клеток, вступающих в мейоз, значительно крупнее других. В этих ядрах вместо хромати­на выявляются очень тонкие и длинные нитевидные хромосомы. Они настолько тонкие и длинные, что их тру дно проследить по всей длине. Для лептотены характерно также появление на тонких хро­мосомах особых, напоминающих бусины структур — хромомеров. Это участки более сильно конденсированного хроматина. Число, размер и расположение хромомерных участков специфичны для каждой хромосомы. Выявление хромомерных структур отражает постепенный процесс конденсации хромосом из хроматина. Каж­дая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, но их далеко не всегда удается различить под световым микроскопом, настолько близко они прилегают друг к другу.

Зиготена - стадия сливающихся нитей. На этой стадии гомологичные хромосомы находят друг друга и сливаются (конъюгируют) с образованием бивалента. У человека 46 хромосом (23 пары гомологичных хромосом), следовательно, количество бивалентов равно 23 и соответствует гаплоидному набору хромосом.

Бивалент - это стабильная структура, состоящая из двух гомо­логичных хромосом, или 4-х хроматид. Стабильность этой струк­туры поддерживается с помощью специфических белков синалто-немного комплекса. Объединение гомологов чаще всего начинает­ся на концах хромосом (в теломерах), а также в центромерных районах. Позднее по длине соединяющихся хромосом (внутри би­валента) между хромосомами формируются белковые тяжи синап-тонемного комплекса, сближающие хромосомы.

В настоящее время показана специфичность хромомерного стро­ения индивидуальных бивалентов человека в мужском и женском мейозе, т.е. по рисунку хромомер можно определить, какая пара хромосом образует тот или иной бивалент, даже если по размеру и общей морфологии биваленты одинаковы. Конъюгация гомоло­гичных хромосом с образованием бивалентов является обязатель­ным процессом для всех хромосом человека, включая короткие и половые хромосомы. Показано, что конъюгация происходит не только между половыми хромосомами Х и X, но также между Х- и Y-хромосомами, несмотря на большую разницу в их морфологии (размерах).

В процессе сперматогенеза половой бивалент из Х- и Y-хромосом начинает конъюгировать раньше других хромосом. Конъюгируют между собой часть района короткого плеча Х- и короткое пле­чо Y-хромосомы. Эксперименты по гибридизации ДНК показали, что эти районы гомологичны между собой. Негомологичные участ­ки хромосом Х и Y остаются свободными.

Зиготена заканчивается образованием 23 бивалентов. Пахитена — стадия прохождения кроссинговера. В пахитене хромосомы выявляются в виде толстых нитей, так как они пред­ставлены бивалентами. Именно в бивалентах происходит кроссинговер — взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом. Генетическим следствием кроссингове­ра является рекомбинация сцепленных генов, что обеспечивает широкую генетическую изменчивость гамет. Морфологически этот процесс в пахитене уловить нельзя. Для умозрительного восприя­тия его можно изобразить на схеме (пахитена и диплотена). Кроссинговер — это процесс, происходящий со сложными про­странственными изменениями суперспирализованных участков молекул ДНК несестринских хроматид с использованием целого комплекса ферментов, возможно объединенных вместе в специализи­рованную структуру. Кроссинговер является обязательным процессом в каждом биваленте. Не исключено, что отсутствие кроссинговера в каком-то биваленте может быть запирающим фактором мейоза.

В дальнейшем, в диплотене, когда начинают расходиться гомологичные хромосомы, в бивалентах, выявляют­ся те места, где происходил процесс кроссинговера. Это места длительно­го соединения гомологичных хромо­сом во время разрушения бивалентов. Поскольку морфологически они напо­минают греческую букву «X», их на­зывают хиазмами. В зоне хиазм видно, что в перекрест вовлека­ются только две хроматиды из четы­рех (по одной от каждого гомолога).

Диплотена – стадия двойных ни­тей. На этой стадии синаптонемный комплекс разрушается, и гомологи от­талкиваются друг от друга, оставаясь соединенными только в районе хиазм, где по-прежнему сохраняется струк­тура синаптонемного комплекса. Так как количество хиазм соответствует одному событию кроссинговера, в ко­тором участвуют две несестринские хроматиды, то по количеству хиазм можно судить об интенсивности про­цесса кроссинговера. Общее число хиазм на хромосомный набор челове­ка колеблется от 35 до 66. Некоторые биваленты могут содержать несколь­ко хиазм. Среднее количество хиазм на бивалент около двух.

Диакинез — стадия, завершаю­щая профазу мейоза I. Она является переходной к метафазе. Число хи­азм уменьшается, биваленты укорачиваются, разрушается ядро, начинает формироваться веретено деления.

Метафаза I — биваленты выстраиваются в экваториальной плос­кости в цитоплазме. Центромеры хромосом расположены на эква­торе, к ним прикреплены нити веретена деления. Число выстроен­ных бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом и для человека равно 23.

Анафаза I — расхождение гомологичных хромосом к противо­положным полюсам клетки. Каждая хромосома состоит из двух се­стринских хроматид.

Телофаза I. В этой фазе происходит образование двух дочер­них ядер, каждое из которых содержит гаплоидное число хромо­сом, равное 23. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.

Промежуток между двумя последующими делениями мейоза очень небольшой. Почти сразу начинается второе мейотическое деление. Оно идет по схеме митоза: 23 хромосомы, состоящие из парных сестринских хроматид, связанных в центромерных участ­ках, в каждом из двух образованных ядер проходят профазу и мета-фазу. В анафазе они разъединяются, и сестринские хроматиды каж­дой хромосомы расходятся к противоположным полюсам, в резуль­тате чего образуется четыре гаплоидных ядра.

Рекомбинация генетического материала в мейозе происходит не только за счет процесса кроссинговера. В анафазе первого мейоти-ческого деления происходит случайное распределение по отноше­нию к полюсам клетки гомологичных хромосом из каждого бивалента. Это приводит к большому числу возможных комбинаций отцовских и материнских хромосом в гаметах. Рассмотрим процесс подробнее на простом примере.

Проанализируем распределение первой и второй пары гомоло­гичных хромосом в анафазе I. Известно, что в каждой паре гомоло­гичных хромосом в процессе оплодотворения одна хромосома при­ходит из гаметы отца, другая - из гаметы матери. Обозначим заг­лавными буквами хромосомы отца, а строчными - хромосомы матери. Таким образом, А и а — первая пара хромосом, В и b - вто­рая пара. В профазе I образуются биваленты. В метафазе I они выс­траиваются в экваториальной плоскости: А//а, В// b. В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалентов расходятся к противопо­ложным полюсам: к одному полюсу пойдут хромосомы А и В, т.е. отцовские, а к другому, а и b, т.е. материнские. Но у этого события может быть и другой исход, когда расположение хромосом в метафазе на экваторе будет другим: А//а, b//В. Тогда к одному полюсу пойдут хромосомы А и b, а к другому - а и В, т.е. сочетание хромо­сом на полюсах будет содержать одну отцовскую и одну материнс­кую. Наличие двух пар гомологичных хромосом обеспечивает, как мы видим, образование четырех типов гамет, качественно отличаю­щихся друг от друга сочетанием отцовских и материнских хромо­сом. У человека 23 пары хромосом. Разнообразие гамет оценивает­ся как 2²³. Это примерно 10 миллионов вариантов разнообразных сочетаний отцовских и материнских хромосом из каждой пары го­мологов. При оплодотворении практически равновероятна встреча любого из сперматозоидов с овулировавшей яйцеклеткой. Это уве­личивает число возможных генотипов детей (2²³). Частота гене­тической рекомбинации в результате независимого распределения разных пар гомологов выше, чем частота рекомбинации в результа­те кроссинговера.

Оплодотворение и развитие

Оплодотворение - сложный процесс, приводящий к слия­нию яйцеклетки и сперматозоида, объединению их ядер, образова­нию диплоидной зиготы, из которой впоследствии будет развивать­ся новый организм. Генетическое значение процесса оплодотворе­ния состоит в объединении гаплоидных наборов хромосом отцовских и материнских гамет, отличающихся высокой степенью генетичес­кого разнообразия.

Несмотря на количественное постоянство хро­мосомного набора, это обеспечивает генетическое разнообразие осо­бей. В результате процесса оплодотворения восстанавливается диплоидность зиготы, что само по себе является толчком к последую­щим делениям митозом. У человека, как и у других млекопитаю­щих, процесс оплодотворения, который начинается с проникнове­ния сперматозоида в ооцит второго порядка, запускает механизм созревания яйцеклетки. В ооците второго порядка второе мейоти­ческое деление останавливается на стадии метафазы. Завершение развития яйцеклетки наблюдается только после оплодотворения.

Оплодотворение состоит из трех последовательных этапов. Пер­вый этап характеризуется сближением сперматозоида и яйцеклет­ки до их контакта. Второй этап начинается с момента прикрепления сперматозоида к поверхности яйцеклетки и осуществления контак­тных взаимодействий между ними. Третий период начинается пос­ле проникновения сперматозоида в яйцеклетку и завершается объе­динением их ядер. Оплодотворение происходит в верхних концах фаллопиевых труб. Сперматозоиды сохраняют жизнеспособность в женских поло­вых путях в течение 1-3 суток, но остаются высокофертильными лишь 12-24 часа. Сперматозоид способен оплодотворить ооцит только после того, как он проведет в половых путях несколько часов.

Спермии скапливаются вокруг ооцита второго порядка. В голов­ке одного из спермиев происходит очень быстрая акросомальная реакция. Она состоит в том, что разрываются мембраны головки спермия и ферменты акросомы, особой клеточной структуры спер­матозоида, «переваривают» клеточные слои, окружающие ооцит. Затем спермйй проникает внутрь ооцита. У человека сперматозоид входит в ооцит целиком. Время акросомной реакции не превышает 20 секунд.

После проникновения в яйцеклетку одного из спермиев разры­ваются многочисленные вакуоли, расположенные под мембраной яйцеклетки, и из них освобождается вещество, под действием кото­рого zona pellucida утолщается и образует непроницаемую прегра­ду поверх яйцеклетки — оболочку оплодотворения. Она препятству­ет проникновению в ооцит других спермиев. У человека проникно­вение сперматозоида в ооцит является сигналом для завершения второго мейотического деления, которое приводит к образованию гаплоидной яйцеклетки и сопутствующих клеток (полярных телец), которые дегенерируют. В это же время-в цитоплазме ооцита расса­сывается хвост сперматозоида. Следующий этап процесса оплодот­ворения связан с объединением генетического материала яйцеклет­ки и сперматозоида в одно диплоидное ядро.

Высококондеисированное ядро сперматозоида начинает набу­хать, хроматин разрыхляется, и ядро превращается в структуру, называемую мужским пронуклеусом. Аналогичные изменения про­исходят в женском ядре, что приводит к образованию женского про-нуклеуса. В процессе формирования пронуклеусов происходит син­тез ДНК и в мужском, и вженском ядре (In 2C). В результате каж­дая хромосома удваивается и состоит уже из двух сестринских хроматид. После того, как репликация ДНК закончена, пронуклеусы перемещаются к центру яйцеклетки и их мембраны разрушают­ся. Отцовские и материнские хромосомы, каждая из которых имеет две хроматиды, прикрепляются к нитям сформировавшегося вере­тена деления. Затем хромосомы выстраиваются по экватору веретена. В это время наблюдается картина, характерная для метафазы митоза.

Объединение отцовских и материнских хромосом в общем ми­тозе переводит оплодотворенную яйцеклетку в качественно новое состояние — зиготу» Зигота проходит стадии анафазы и телофазы и завершает свое первое митотическое деление. Образуются две до­черние диплоидные клетки - бластомеры. Генетический материал бластомеров представляет собой совокупность хромосом отца и матери. В каждой паре гомологичных хромосом одна хромосома отцовская, а другая материнская.

Процесс индивидуального развития начинается с момента оп­лодотворения. Зигота делится митотически, затем проходят этапы пренатального развития: бластула, гаструла, нейруляция, имплан­тация в стенку матки, закладка и формирование органов и систем органов, рост плода. Пренатальный период сменяется перинатальным, который начинается с 28-й недели беременности, включает роды и заканчивается через 7 дней после родов. После этого начи­нается постнатальный период, включающий в себя всю жизнь че­ловека от рождения до смерти.

Процесс индивидуального развития имеет ряд критических пе­риодов, когда организм наиболее уязвим к различным факторам окружающей среды.

Нормальное развитие особи в течение эмбриогенеза сопряжено с активным делением клеток, морфогенетическим движением за­родышевых листков, с процессами дифференцировки и органоге­неза. Тератогенные факторы могут изменять способность клеток к размножению и перемещению из одного места в другое, нарушать процесс приобретения клетками определенной специализации и в конечном итоге вызвать развитие уродств. К основным механиз­мам развития пороков на тканевом уровне относятся: гибель от­дельных клеточных масс, замедление распада и рассасывания от­мирающих клеток, нарушение взаимодействия тканей между со­бой. В результате тот или иной орган йедоразвивается или развивается неправильно. Например, если смещается устье аорты, то развивается врожденный порок сердца.

На ранних стадиях эмбриогенеза выделяют так называемые кри­тические периоды, во время которых развивающийся орган-особо чувствителен к факторам Окружающей среды. Если женщина забо­леет краснухой между 3-й И 9-й неделями беременности, то возни­кает риск развития у плода таких пороков, как порок сердца, ката­ракта, глухота. В другие сроки краснуха не вызывает пороков раз­вития плода. Сходное действие предполагается у других вирусных инфекций (гриппа, оспы, паротита).

Поскольку тератогенные факторы не нарушают генетических структур, такие пороки развития не наследуются, т. е. риск повтор­ного рождения ребенка с аналогичным пороком предельно мал. К препаратам, способным вызвать образование врожденных по­роков развития, относятся транквилизаторы, противосудорожные, гормональные и противоопухолевые средства. Стероидные гормо­ны, входящие в состав многих контрацептивов, которые женщины могут принимать, не зная о наличии беременности, относятся к чис­лу факторов риска развития врожденных пороков. Широко применяемые в промышленности и сельском хозяйстве бензол, фенолы, хлоропрен, формальдегид, ядохимикаты, а также свинец и пары ртути обладают токсическим действием. Их воздей­ствие может вызвать самопроизвольный аборт, внутриутробную смерть плода или рождение ослабленного ребенка.

Биопсия хориона и плаценты

К числу перспективных методов пренатальной диагностики относится биопсия плода и плаценты. Плацентобиопсия прово­дится на более ранних, чем УЗИ, сро­ках беременности (7-9 недель). Вор­синки хориона берут особым шприцом с помощью гибкого катетера через шейку матки (рис. 1, 2). Затем их подвергают лабораторной диагностике с помощью цитологических, биохими­ческих, молекулярно-генетических ме­тодов. В случае выявления наследст­венных заболеваний у плода беремен­ность прерывают. Одним из осложне­ний хорионбиопсии является относи­тельно высокая частота спонтанных абортов (выкидышей). Общие потери плода после хорионбиопсии в среднем составляют 2,5-3%, а в некоторых слу­чаях и выше, что ограничивает приме­нение этого метода. Каких-либо нару­шений плаценты, роста плода, появле­ний пороков развития и увеличения перинатальной смертности после хорионбиопсии не отмечается. Однако, существуют данные, что ранняя хорионбиопсия может вызывать попереч­ные врожденные апмутации конечнос­тей (редукционные пороки). По этой причине в последнее время хорионбиопсию не рекомендуется проводить ра­нее 8-й недели, а плацентобиопсию — 12-й недели беременности.

Амниоцентез

Амниоцентез — прокол плодного пузыря для взятия 8-10 мл околоплодной жидко­сти с находящимися в ней слущенными клетками амниона и плода. По­следние являются основным субстра­том для цитологических и биохими­ческих исследований. Этот метод яв­ляется наиболее распространенным и доступным. Проводится на 15-18-й неделе беременности. Риск осложне­ния ее течения незначителен (0,2%). Амниоцентез делают чрезбрюшинно под контролем УЗИ, чтобы не повре­дить плаценту. Чрезвлагалищный амниоцентез применяется редко. С помощью этого метода диагности­руют многие хромосомные нарушения, болезни, сцепленные с полом, болезни обмена веществ (болезнь Тея-Сакса, мукополисахаридозы, гликогенозы, фенилкетонурия и др.).

Кордоцентез

В этом случае берутся образцы крови (лейкоциты) из пуповинных сосудов плода, для цитогенетическо­го, молекулярно-генетического и би­охимического анализов крови. Кровь более удобна для исследования, чем клетки амниотической жидкости, т.к. лимфоциты быстрее и надежнее культивируются.

Кордоцентез проводится под кон­тролем УЗИ на 18-22-й неделе бере­менности. Его используют для диагностики хромосомных болез­ней, таких, как: гемоглобинопатии, энзимопатии, различные иммунодефицитные аномалии, синдром фрагильной (ломкой) Х-хромосомы и др.

Фетоскопия

Данный метод основан на прямом рассмотрении плода через специаль­ный прибор — фетоскоп (тонкий эла­стичный зонд со специальной опти­ческой системой). Зонд вводится в плоскость амниона через брюшную систему. Проводится на 18-23-й неде­ле беременности. Фетоскопия ис­пользуется редко и только при осо­бых показаниях, поскольку вхожде­ние зонда в амниотическую жидкость может вызвать осложнение беременности. Выкидыши отмечаются в 7-8% случаев фетоскопии. Проще и безо­паснее использовать УЗИ, способное выявить большинство пороков разви­тия.

Методы пренатальной диагности­ки постоянно совершенствуются и все шире применяются в профилак­тике наследственных заболеваний. Дальнейшее совершенствование и расширение применения этих мето­дов — одна из задач современной ме­дицинской генетики.

Вопросы для самоконтроля:

1. Основная цель и задачи медико-генетического консультирования (МГК).

2. Перечислите показания для направления на медико-генетическое консультирование; основные этапы МГК.

3. Что такое прогноз потомства?

4. Что имеется в виду под термином "пренатальная диагностика"? Назовите основные показатели для проведения пренатальной диагностики.

5. Перечислите важнейшие методы дородовой диагностики.

6. Выберите два правильных ответа. Состояния, диагностируемые у плода с помощью УЗИ: 1) синдром Марфана; 2) редукционные пороки конечностей; 3) фенилкетонурия; 4) нарушения в раз­витии мозга.

7. Какой из указанных методов дает наибольший процент осложнений: а) фетоскопия; б) хорионбиопсия; в) кордиоцентез; г) УЗИ.

Клеточная инженерия:

·  Культивируют клеточные культуры. Нарабатываются биологически активные вещества, размножаются ред­кие и ценные растения.

· Гибридизация протопластов соматических клеток от­
носящихся к разным видам (картофеля и томата).

· Создание гибридом: гибридизация лимфоцитов, обра­зующих антитела, с раковыми клетками.

·  Метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Возможно клони­рование животных.

Хромосомная инженерия:

· — Введение в генотип или замещение одной пары гомологичных хромосом на другую. Создание «идеального сорта».

· — Получение полиплоидных растений.
Генная инженерия:

Введение гена из одного организма в дру­гой. Излюбленный объект — кишечная палочка. Уже получают гормон роста, инсулин, интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.

Селекция животных

Основные методы селекции животных. Создание по­род домашних животных началось вслед за их прируче­нием и одомашниванием, вероятно, 20—30 тыс. лет назад. Первым этапом было приручение животных. В результа­те бессознательной формы искусственного отбора проис­ходило одомашнивание и изменение генофонда приру­ченных животных. Менялся их внешний вид, продуктив­ность, характер. Сохранялись те животные, которые могли размножаться в неволе, не проявляли агрессивности по отношению к человеку. Методический отбор привел к созданию всего многообразия пород домашних живот­ных от небольшого числа видов диких предков.

В селекции животных, по сравнению с селекцией рас­тений, есть ряд особенностей. Во-первых, для животных характерно в основном половое размножение, поэтому любая порода является сложной гетерозиготной системой. Во-вторых, у них часто поздняя половозрелость, смена поколений происходит через несколько лет. В-третьих, по­томство немногочисленное.

Основными методами селекции животных являются гибридизация и отбор. Различают те же методы скрещи­вания — близкородственное скрещивание, инбридинг, и неродственное — аутбридинг. Инбридинг, как и у расте­ний, приводит к депрессии. Отбор у животных проводится по экстерьеру (определенным параметрам внешнего стро­ения), т. к. именно он является критерием породы.

1. Внутрипородное разведение: направлено на сохранение и улучшение породы. Практически выражается в от­боре лучших производителей, выбраковке особей, не отвечающих требованиям породы. В племенных хозяйствах ведутся племенные книги, отражающие родословную, экстерьер и продуктивность животных за много поколений.

2. Межпородное скрещивание используют для создания новой породы. При этом часто проводят близкородствен­ное скрещивание, родителей скрещивают с потомством, братьев с сестрами, это помогает получить большее число особей, обладающих нужными свойствами. Инбридинг сопровождается жестким постоянным отбором, обычно получают несколько линий, затем производят скрещива­ние разных линий.

Хорошим примером может служить выведенная акаде­миком М. Ф. Ивановым порода свиней — украинская белая степная. При создании этой породы использовались свиноматки местных украинских свиней с неболь­шой массой и невысоким качеством мяса и сала, но хо­рошо приспособленных к местным условиям. Самцами-производителями были хряки белой английской породы. Гибридное потомство вновь было скрещено с английски­ми хряками, в нескольких поколениях применялся инб­ридинг, были получены чистые линии, а при скрещива­нии их — родоначальники новой породы, которые по качеству мяса и массе не отличались от английской породы, по выносливости — от украинских свиней.

3. Использование эффекта гетерозиса. Часто при межпородном скрещивании в первом поколении проявляется эффект гетерозиса, гетерозисные животные отличаются скороспелостью и повышенной мясной продуктивностью. Например, при скрещивании двух мясных пород кур по­лучают гетерозисных бройлерных кур, при скрещивании беркширской и дюрокджерсейской пород свиней получа­ют скороспелых свиней с большой массой и хорошим качеством мяса и сала.

4. Испытание по потомству проводят для подбора самцов, у которых не проявляются некоторые качества (молочность и жирномолочность быков, яйценоскость петухов). Для этого производителей-самцов скрещивают с несколькими самками, оценивают продуктивность и другие качества дочерей, сравнивая их с материнскими и со среднепородными.

5. Искусственное осеменение используют для получе­ния потомства от лучших самцов производителей, тем более что половые клетки можно хранить при температу­ре жидкого азота любое время.

6. С помощью гормональной суперовуляции и трансплан тации у выдающихся коров можно забирать десятки эм­брионов в год, а затем имплантировать их в других коров, эмбрионы также хранятся при температуре жидкого азота. Это даст возможность увеличить в несколько разчисло потомков от выдающихся производителей.

7. Отдаленная гибридизация, межвидовое скрещивание, известна с древних времен. Чаще всего межвидовые гиб­риды стерильны, у них нарушается мейоз, что приводит к нарушению гаметогенеза. С глубокой древности человек использует гибрид кобылицы с ослом — мула, который отличается выносливостью и долгожительством. Но иногда гаметогенез у отдаленных гибридов протекает нормально, что позволило получить новые ценные породы животных. Примером являются архаромериносы, которые, как и архары, могут пастись высоко в горах, а, как мериносы, дают хорошую шерсть. Получены плодовитые гибриды от скрещивания местного крупного рогатого скота с яками и зебу. При скрещивании белуги и стерляди получен — бестер, хорька и норки — хонорик, продуктивен гибрид между карпом и карасем.

Полиплоидия крайне редко встречается у животных. Интересен факт межвидового скрещивания тутового шелкопряда.

Тема 20. Популяционная генетика   

Борьба за существование

Задачи:

1. Знакомство с различными формами борьбы за существование, которые осуществляются в природе.

2. Правильное определение фор­м борьбы за существование, сравнение их друг с другом.

3. Сформировать правильное отношение к проблеме реализации идеи «борьбы за существо­вание» в природе и человеческом обществе.

Основное содержание и методические материалы:

Ч. Дарвин впервые пришел к мысли о том, что дви­жущая сила всего эволюционного процесса есть резуль­тат взаимодействия организмов между собой и с внеш­ней средой, т. е. борьбы за существование. Он указал, что несоответствие между возможностью видов к беспредельному размножению и ограниченнос­тью ресурсов — главная причина борьбы за существо­вание. Наиболее острой и напряженной является внутривидовая борьба, поскольку конкурирующие осо­би одного и того же вида предъявляют сходные или полностью идентичные требования к условиям, в кото­рых они существуют (например, питаются одина­ковыми кормовыми объектами, количество которых может быть ограниченным). Требования представителей разных биологических видов и разных экологических групп организмов к усло­виям внешней среды в той или иной степени расходятся, что нередко позволяет им ослабить остроту конкуренции друг с другом и мирно сосуществовать в общем ареале.

ФОРМЫ БОРЬБЫ ЗА СУЩЕСТВОВАНИЕ

Внутривидовая

Образование новых видов. макроэволюция. Современная система органического мира

Задачи:

1. Сформировать представление о гео­графическом и экологическом способах видообра­зования.
2. Научить определять способы видооб­разования и сравнивать их друг с другом.
3. Продолжить формирование убеж­денности в необходимости сохранения видового многообразия растений и животных.

Основное учебное содержание и методические материалы:

При характеристике эволюционного процесса необ­ходимо четко определить, что понимают современные биологи под макроэволюцией и микроэволюцией, так как эти термины постоянно встречаются в специальной литературе. В большинстве случаев под макроэволюцией понимают процесс образования новых семейств, отря­дов, классов, типов и других надвидовых систематиче­ских единиц (таксономических групп живых существ). Под микроэволюцией понимают сложнейший эволюци­онный процесс возникновения нового вида. При этом новый вид превращается в обособленную совокупность организмов. Микроэволюцию нередко называют также видообразованием.

Механизмы микроэволюции и макроэволюции прин­ципиально сходны.

Идеи Ч. Дарвина заложили основу для современного понимания процессов видообразования. Вспоминая исто­рию своих исследований, он подчеркивал, что долгое время после открытия принципа естественного отбора он не мог решить вопрос о возникновении разнообра­зия видов. Термин «видообразование» означает расщеп­ление одного вида на несколько, т. е. увеличение числа видов. Виды стремятся к максимально возможному заполнению мест обитания и освоению различных спосо­бов существования. При этом происходит дивергенция (расхождение признаков) у групп особей, осваивающих различную среду обитания.

Однако бывают ситуации, когда представители эволюционно и систематически удаленных друг от друга.

Итогом экологического видообразования является, например, формирование разных популяций речного окуня, обитающих в одном водоеме, но на разных глу­бинах.

Как уже отмечалось выше, видообразование лежит в основе макроэволюционного процесса. Отображением же эволюции в целом является современная классифи­кация живых организмов.

Система органического мира, предложенная К. Лин­неем, впоследствии была существенно изменена. В самом общем виде современную классификацию органического мира можно представить следующим образом.

Необходимо подчеркнуть, что сине-зеленые организ­мы и одноклеточные водоросли относятся к разных цар­ствам и даже разным надцарствам. Поэтому словосочета­ние «сине-зеленые водоросли», часто встречаемое в учеб­никах и пособиях по биологии, звучит некорректно.

Важно также понимать, что лишайники — это осо­бая, «сборная» группа организмов. В состав лишайни­ка обязательно входит представитель царства грибов. Вторым компонентом лишайника является либо, одно­клеточная водоросль, либо представитель группы сине – зеленых. Между организмами, входящими в состав тела лишайника, складываются особые взаимоотношения, часто выражающиеся в форме взаимопомощи. Ги­фы гриба, оплетающие клетки водоросли, доставляют к ним минеральные соли, растворенные в воде. Одно­клеточная водоросль (или представитель сине-зеленых) осуществляет процесс фотосинтеза и созданными та­ким образом органическими веществами «делится» с грибом. Наши знания о строении и жизнедеятельно­сти лишайников не позволяют отнести их к какой-то одной систематической группе (растениям, грибам или дробянкам).

Каждое из перечисленных царств, включает в себя последовательно несколько более мелких систематиче­ских единиц. Рассмотрим эту ситуацию на примере цар­ства животных и царства растений.

ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ

Тип (Хордовые)                                            Отдел (Цветковые)

Класс (Млекопитающие)                             Класс (Однодольные)

Отряд (Хищные)                                           Порядок (Мятликоцветные)

Семейство (Кошачьи)                                  Семейство (Злаковые)

Род (Кошка)                                                  Род (Пырей) 

Вид (Кошка домашняя)                               Вид (Пырей ползучий)

При классификации организмов современные ученые-систематики обращают внимание на целый комплекс признаков, характеризующих данное растение или жи­вотное. Рассмотрим некоторые признаки, на основании которых цветковые растения разделяются на два клас­са — Однодольные и Двудольные.

Эволюционное учение

Задачи:

1. Систематизировать и обобщить знания об основных положениях эволюционного учения, проверить качество их усвоения.

2. Создать условия для развития мыслительных спо­собностей в процессе решения проблемных вопросов и выполнения заданий об эволюции органического мира.

3. Сформировать убежденность в том, что эволюционное учение является одним из наи­более фундаментальных теоретических обобщений современной биологии.

Основное учебное содержание и методические материалы:

1. Формирование биологической картины мира – как результат научного познания.
2. Эволюционное учение, объ­ясняющее условия, причины, механизмы и результаты исторического развития жизни на нашей планете.
3. Историческое развитие органического мира. Два взаимосвязанных процесса: макро­эволюция и микроэволюция.
4. Микроэволюция - появление новых по­пуляций, подвидов, видов.
5. Макроэволюция - появление новых родов, семейств, отрядов, классов, типов, царств.
6. Сходство механизмов микро- и макроэволюции. Эволюционные факторы: наследственная изменчивость, изоляция, естественный отбор (на фоне борьбы за существование), волны жизни, дрейф генов.
7. Микроэволюционный процесс, гео­графическое и экологическое видообразование. Различие по способу изоля­ции, послужившему исходным толчком для процесса первоначального расхождения популяций.

На заключительно-обобщающем занятии делается вывод о том, что классические поло­жения эволюционного учения Ч. Дарвина на определен­ном этапе развития науки вступили в противоречие с не­которыми открытыми впоследствии биологическими закономерностями (в частности, из области генетики). Это привело к уточнению первоначальных эволюцион­ных представлений, обогащению их новыми фактами, дальнейшему развитию и обоснованию с позиций иных биологических наук. В разработку современной теории эволюции внесли свой вклад такие отечественные уче­ные, как Н. И. Вавилов, В. О. Ковалевский, А. Н. Северцов, Н. В. Тимофеев-Ресовский, С. С. Четвериков, И. И. Шмальгаузен и др. Как следствие этого процесса в середине XX в. сформировалась синтетическая тео­рия эволюции.

Задача 1

В одном из зоопарков Индии у пары тигров с нормальной окраской родился тигр альбинос (такие формы встречаются довольно редко). Почему у фенотипически одинаковых животных родился детеныш без пигментации? Какие действия должны провести селекционеры, чтобы как можно быстрее получить максимальное количество тигрят с данным признаком?

А - нормальная пигментация                    Р: ♀ Аа х    ♂ Аа

       АА       Аа       АА           АА

     нет расщеплений         нет расщеплений         F₁:   АА, Аа, Аа,      аа

                                                                                                      пигментир. альбинос

Самостоятельная работа «Создай лицо ребенка»

 У человека целый ряд признаков лицевого отдела черепа относиться к разряду менделирующих.

Условие задачи: Братья – монозиготные близнецы женились на моногозиготных сестрах близнецах. Будут ли дети этих семейных пар также похожи между собой, как и их родители? Родители-близнецы гетерозиготны по следующим признакам:

1. Форма лица: круглая (А-), квадратная (аа)

2. Форма подбородка: круглая (В-), квадратная (вв)

3. Ямочка на подбородке: присутствует (С-), отсутствует (сс)

4. Тип волос: курчавые (РР), вьющиеся (Рр), прямые (рр)

5. Размер глаз: большие (ЕЕ), средние (Ее), маленькие (ее)

6. Расстояние между глазами: близко посажены (ТТ), среднее расстояние (Тt), широко расставлены (tt)

7. Ресницы: длинные (L-), короткие (ll)

8. Толщина бровей: густые (К-), тонкие (кк)

9. Расположение бровей: не соединяются (N-), соединяются (nn)

10. Размер носа большой (ГГ), средний (Гг), маленький (гг)

11. Форма носа: круглый (О-), заостренный (оо)

12. Размер рта: большой (ММ), средний (Мм), маленький (мм)

13. Толщина губ: полные (D-), тонкие (dd)

14. Цвет глаз: темный (Н-), светлый (нн)

15. Уши – с нормальной мочкой (Ф), с приросшей (фф)

Ход работы:

     Возьмите монетку и подбрасывайте ее на столе: «орел» - доминантный признак; «решка» - рецессивный признак. Так как родители гетерозиготны, вероятность передачи ребенку доминантного или рецессивного аллеля – 1:1. Подбрасывая монетку, определите сначала пол ребенка («решка» – девочка, «орел» – мальчик), а затем аллели, которые родители передадут своему малышу. Заполните табличку. В конце работы постарайтесь нарисовать портрет ребенка в возрасте 5-6 лет. Сравните портреты, полученные другими студентами, и ответьте на заданный вопрос.

Форма лица:

круглая (АА; Аа)           квадратная (аа)

 Очертания подбородка:

Форма глаз:

удлиненная (АА, аа)                               круглая (аа)

Расположение углов глаз:

горизонтальное (НН, Hh )            угол поднят кверху ( hh )

Ресницы:

                    длинные ( LL , LI )                                          короткие (11)

Размеры рта:

                 большой (ММ)       средний (Мм)  маленький  (мм)

Выпуклость губ:

      очень                      умеренно                  не выпуклые

Форма носа:

круглый ( Rr )                                      заостренный (гг)

Мочка уха:

Веснушки на щеках:

Ec ть( FF ; Ff )                                    нет ( ff )

 Веснушки на лбу:

есть ( ZZ , Zz )                           нет {гг)

Цвет кожи

Наследуется полимерными ге­нами, которые обладают аддитивным (суммарным) эф­фектом. Чем больше доминантных генов присутствует в генотипе, тем более активно проявляется пигмента­ция кожи:

6 доминантных генов — очень черная кожа

5 доминантных генов — очень коричневая кожа
    4 доминантных гена — темно-коричневая кожа

3 доминантных гена — коричневая кожа

2 доминантных гена — светло-коричневая кожа

1 доминантный ген — смуглая

0 доминантных генов — белая

 Цвет волос

Подобно цвету кожи, цвет волос наследует­ся четырьмя полимерными генами.

8 доминантных генов — черные волосы

7 доминантных генов— очень коричневые волосы

     6 доминантных генов — темно-каштановые

     5 доминантных генов — каштановые,

    4 доминантных гена — светло-русые,

    3 доминантных гена — рыжеватая блондинка

    2 доминантных гена — блондинка

     1 доминантный ген — очень светлая блондинка

    0 доминантных генов — белые

Рыжие волосы определяются единственным геном, представленным двумя

аллелями Red (R) и red (г):

RR — ярко-рыжие; Rr — светло-рыжие; гг — отсутствие рыжих волос.

Рыжие волосы проявляются только в том случае, если у человека меньше 6 доминантных аллелей по выше представленным полимерным генам.

З а д а ч а 1

У мухи дрозофилы серый цвет тела доминирует над чёрным. При скрещивании серых и чёрных мух в потомстве половина особей имела серую окраску, половина – чёрную:

а) определите генотипы родительских форм;

б) подчиняется ли наследование окраски тела дрозофилы законам Менделя?

З а д а ч а 2

 При скрещивании норок коричневого и голубовато – серого цвета получен приплод, все особи которого имели коричневую окраску. При скрещивании зверьков первого поколения получен приплод, в котором 167 норок имели коричневый цвет, а 58 – голубовато – серый:

а) ген какой окраски является доминантным?

б) относится ли этот признак (окраска) к менделирующим?

II. Множественный аллелизм

При анализе наследования ряда признаков выявляются отклонения от законов Менделя в распределении генотипов и фенотипов в потомстве. Одной из причин таких отклонений является множественный аллелизм. Он проявляется в увеличении числа аллельных генов, контролирующих тот или иной признак.

З а д а ч а 1

У мышей длина хвоста определяется серией аллельных генов: А, а, а_1, а₂. Гетерозиготы Аа имеют укороченный хвост, Аа₁ – бесхвостые, аа₁, аа₂ и а₁а₂ имеют нормальную длину хвоста. Гомозиготные организмы (АА, аа, а₁а₁ и т.д.) погибают на стадии эмбрионов:

а) определите вероятные генотипы и фенотипы потомства от скрещивания бесхвостых мышей с мышами, имеющими укороченный хвост;

б) будет ли распределение генотипов соответствовать законам Менделя?

З а д а ч а 2

У кроликов разные варианты окраски меха (распределение пигментированных тёмных пятен) контролируются четырьмя аллельными генами: С, c^h, c^ch,c. Ген С доминирует над остальными и обусловливает сплошную тёмную окраску тела, аллель c^h определяет тёмную окраску лап, хвоста, ушей и носа (гималайская окраска), он рецессивен по отношению к гену С и доминантен по отношению к гену с. Ген c^ch определяет серую шиншилловую окраску; аллель с обусловливает белую окраску тела, т.е. полное отсутствие пигмента (альбинизм); c^chc^h – большие чёрно – белые пятна ("бабочка").

а) кролик со сплошной пигментацией, гетерозиготный по гену альбинизма, скрещен с гималайским кроликом, также гетерозиготным по гену альбинизма. Какой генотип и фенотип будет иметь потомство F1 от этого скрещивания?

б) школьники в живом уголке скрестили кроликов со сплошной тёмной пигментацией с гималайским и получили 81 крольчонка. Из них 41 имел сплошную тёмную окраску, 19 были гималайскими и 21 – альбиносами. Определите генотипы родительских форм и потомков.

З а д а ч а 1

У мух дрозофил узкие глаза доминируют над нормальными, а загнутые кверху крылья над прямыми. Гомозиготная по признакам узких глаз и загнутых кверху крыльев муха скрещена с

мухой с нормальными глазами и прямыми крыльями:

а) какой генотип и фенотип будет у потомства F1 и F2;

б) какая часть узкоглазых с загнутыми кверху крыльями особей потомства F2 будет гомозиготна по обоим признакам?

З а д а ч а 2

У крупного рогатого скота ген комолости доминирует над геном рогатости, а ген чёрного цвета тела над красным. Обе пары генов не сцепленные:

а) скрещивается гетерозиготный по обоим признакам чёрный комолый бык с такой же коровой. Какими окажутся телята?

б) в хозяйстве от 1000 рогаых красных коров получено 984 телёнка, из них красных 472, комолых 483, рогатых 581. Определите генотипы родителей и количество чёрных телят (в процентах).

З а д а ч а 1

 Какова вероятность рождения в браке тетрагетерозигот детей с фенотипами: А-В-ccD-; aabbccD-?

З а д а ч а 2

Установите генотип людей, имеющих следующие признаки: близорукий мужчина, "правша", с веснушками на лице и низким голосом (бас); все признаки доминантные. Если вы решили, что люди с таким фенотипом могут иметь различные генотипы, то укажите эти генотипы.

З а д а ч а 3

Полидактилия, близорукость и отсутствие малых коренных зубов передаются как доминантные аутосомные признаки. Гены всех трёх признаков находятся в разных парах хромосом:

а) какова вероятность рождения детей без аномалий, если оба родителя страдают всеми тремя недостатками, но гетерозиготны по всем трём парам генов?

б) определите вероятность рождения детей без аномалий в семье, о которой известно, что бабушка по линии жены была шестипалой, а дедушка близорукий. В отношении других признаков они нормальны. Дочь же унаследовала от своих родителей обе аномалии.

Бабушка по линии мужа не имела малых коренных зубов, имела нормальное зрение и пятипалую кисть. Дедушка был нормален в отношении всех трёх признаков. Сын унаследовал аномалию матери.

I . Эпистаз

 В 1932 году Кальвин Бриджес доказал, что гены лежащие в разных хромосомных парах и отвечающие за один и тот же признак не всегда взаимно дополняют друг друга. Существует явление совершенно обратное, в этом случае 1 ген подавляет фенотипическое проявление гена другого локуса. Это явление названо эпистазом. Ген – подавитель Вильям Бетсон назвал ингибитором. Он может называться супрессором или эпистатическим. Подавляемый ген называется гипостатическим. 

                                                                 простой доминантный,  

  Различают несколько форм эпистаза:            простой рецессивный,

                                                                   двойной рецессивный     

Задание II. Рассмотрите пример наследования окраски тыквы (признак – сложный,

наследуется дигенно)

                      У – синтез желтого пигмента (тыква желтая),

                      у – синтез зеленого пигмента (тыква зеленая),

                      W – ген–супрессор, подавляющий синтез пигмента,

            w – синтез не подавляется, тыква пигментирована, то есть окрашена.                                                                     

WWYY x   wwyy            WwYy x    WwYy        

Белая                зеленая          бел.                 бел.                  

WY ___________wy                 F 2: 12 : 3 : 1                     

F₁: WwYy

Единообразие, тыквы по окраске белоплодные.   

Доминантный аллель W ингибировал синтез и желтого и зеленого пигмента.

W > Y, W > y.

Мы разобрали пример простого доминантного эпистаза.

Задача 1. У одной из линий лабораторных мышей:

            А – детерминирует серый цвет шерсти,

            а - черный цвет,

            В – синтез пигмента не нарушается (проявитель окраски),

            в - синтез пигмента нарушен (подавитель окраски).

ААВВ х аавв

серый      белая

АаВв х АаВв

серые     серые

А-В -          ааВ -      А-вв     аавв

Серые        черн.      Белые    белые

     9  :     3   :   3   :   1

Рецессивные аллели одного гена в гомозиготном состоянии ингибировали фенотипическое проявление доминантных и рецессивных аллелей другого гена вв > A , вв > аа. Это пример простого рецессивного эпистаза.

При эпистазе может наблюдаться расщепление 12 : 3 : 1, а может и 13 : 3.

Задача 2. В генотипе кур есть ген, определяющий окраску пера:

             С – перо окрашено в результате синтеза пигмента,

              с – перо не окрашено (пигмента нет).

Кроме того, у кур есть другой ген, который проявляет эпистаз по отношению к гену окраски: I – ген-супрессор, i - не подавляет синтез пигмента. Куры породы Леггорн имеют белое оперение и генотип IICC, куры породы Виандот имеют белое оперение и генотип iicc. Потомки F1 от скрещивания этих линий имеют генотипы IiCc и такое же белое оперение. Однако потомство F2 состоит из белых и окрашенных особей в соотношении 13 : 3.

I- - -                iiCC iiCC  iiCC

Белые                  Окрашенные

Предстоит разобрать пример двойного рецессивного эпистаза, дающего расщепление 9:7.

Задача 3. Фиолетовую окраску цветка детерминируют два неаллельных гена, при этом: А – определяет синтез красного пигмента, В – определяет синтез синего пигмента. Рецессивный аллель а эпистатичен по отношению к доминантному аллелю В, рецессивный аллель в  эпистатичен по отношению к доминантному аллелю А (подавляет синтез пигмента).

ААВВ х    аавв                     АаВв х АаВв 

фиолет.     пигмента нет,                         

                        форма белая              АВ Ав аВ ав

АВ         ав                                АВ фиол. фиол. фиол. фиол.  9:7   

                                              Ав фиол. бел. фиол. бел.   

F1: АаВв                            аВ фиол. фиол. бел. бел.            

единообразие,                       ав фиол. бел. бел. бел.         

  фиолетов.                                                                                    

При эпистазе расщепление идет в соотношениях: 12 : 3 : 1, 9 : 3 : 4, 13 : 3, редко 9:7.

Этот тип взаимодействия наиболее характерен для генов, которые участвуют в работе иммунной системы человека, а так же генов, контролирующих, регулирующих работу других генов в онтогенезе.

В настоящее время в научной литературе два термина «эпистаз» и «супрессия» используются как синонимы, но чаще – термин «супрессия».

III . Полимерия

Явление, при котором один фенотипический признак детерминируется действием сразу нескольких однотипных генов.Однотипные гены часто называются эквивалентными или полимерными и обозначаются одной и той же буквой, но с разными индексами.

                                                            кумулятивную,  

Выделяют 2 формы полимерии      некумулятивную.

Кумулятивная полимерия

Задание I . Проанализируйте механизм наследования пигментации кожи человека. Признак наследуется полимерными генами, которые обладают суммарным (аддитивным) эффектом. Общее число доминантных аллей полимерных генов влияет на степень выраженности фенотипического признака – чем больше доминантных аллей в генотипе, тем больше синтезируется меланина и тем интенсивнее будет пигментация кожи.

Если взять 3 полимерных гена, то генотипы могут иметь совершенно разные фенотипы:

 А₁А₁А₂А₂А₃А₃, 6 доминантных аллей – очень черная кожа;

 А₁а₁А₂А₂А₃А₃, 5 доминантных аллей – очень коричневая;

 а₁а₁А₂А₂А₃А₃, 4 доминантных аллей – темно–коричневая;

                            3         -                   коричневая;

                            2         -                   светло- коричневая;

                            1         -                   смуглая;                             

                            0         -                   светлая европеоидная.

Р: А₁А₁А₂А₂А₃А₃      х   а₁а₁а₂а₂а₃а₃

    Черный эфиоп           Русская девушка

А₁А₂А₃ _________________а₁а₂а₃

   F1:      А₁а₁А₂а₂А₃ а₃

                  Коричневый мулат

(Явление альбинизма не рассматривается).

Задача 1: В браке гетерозиготных мулатов рождается ребенок с белой кожей, а затем негритенок. Возможно ли такое?

Чтобы облегчить запись, предположим, что признак определяется двумя полимерными генами.

 Р :    А₁а₁А₂а₂ х  А₁а₁А₂а₂

           Мулатка                  мулат

 гаметы матери и отца совпадут: А₁А₂   А₁а₂ а₁А₂       а₁а₂

Расщепление: 4 дом. А – негритенок,

                     3 дом. А – темно-коричневый,

                     2 дом. А - коричневый мулат,

                     1 дом. А – желтый,

                      рецессивные аллели – белый цвет кожи.

1 :    4 : 6 : 4 : 1

негр корич.  мулат   жел.   белый

   Еще раз подчеркнем, что при формировании данного признака не важно, какому гену (1,2) принадлежат доминантные аллели, важно их общее количество в генотипе.

При кумулятивной полимерии эффекты доминантных аллелей складываются в своем действии, и степень выраженности признака прямо пропорциональна количеству доминантных генов в генотипе.

Задача 2: Подобно цвету кожи наследуется цвет волос человека. По всей видимости, цвет волос определяют сразу 4 полимерных гена.

Если в генотипе:                             4 дом.ал. – русые;

8 дом.ал.- волосы черные;              3 дом.ал. – светло-русый блондин;

7 дом.ал.- темно-коричн.;               2 дом.ал. – блондин;

6 дом.ал. – темно-каштан.;             1 дом.ал. – очень светлый блондин;

5 дом.ал. – каштановые;                 рецессивные ал. – белые волосы.

 Изменение цвета волос от темного до светлого связано с уменьшением пигмента – меланина.

Многих интересует, как наследуется рыжий цвет волос? Существует другой пигмент – феумеланин, который несколько отличается по составу от меланина. Образование феумеланина приводит к появлению рыжих волос. Рыжие волосы определяются независимым геном, представленным двумя аллелями: R – доминантной, r – рецессивной. Их сочетание в генотипе: RR – ярко-рыжие,   Rr - светло-рыжие, rr - рыжий цвет отсутствует.Надо помнить о том, что рыжий цвет заметен фенотипически только тогда, когда в генотипе меньше 6 доминантных аллелей по выше названным полимерным генам.

Полимерный тип взаимодействия характерен не только для качественных, но и большинства количественных признаков. Есть мнение, что рост человека наследуется полимерными генами.

Некумулятивная полимерия

Чтобы признак проявил себя по максимуму, достаточно иметь в генотипе хотя бы 1 доминантный аллель из серии полимерных генов. Можно сказать иначе: при некумулятивной полимерии не важно количество доминантных аллелей в генотипе, а важно присутствие хотя бы одного из них, чтобы признак имел свое полное фенотипическое проявление.

Пример: чистые линии кур с оперенными ногами – гомозиготны по двум однотипным доминантным генам (А₁А₁А₂А₂); голоногие куры – рецессивны. Гибриды F₁ (А₁а₁А₂а₂) не уступают по качеству оперения ног доминантной форме. У потомства F₂  соотношение расщепления составит 15 : 1.

Явление полимерии имеет важное значение в сельском хозяйстве. Данный механизм лежит в наследовании таких признаков как содержание сахара, витаминов в плодах и корнеплодах, длины колоса, початка кукурузы, яйценоскости, молочности, массы тела.

Задача1.

 У крупного рогатого скота в генотипе есть ген, доминантный аллель которого (А) определяет сплошную окраску шерсти, а рецессивный (а) - пегую (т.е. пятнистую). Доминантный аллель другого гена - В – детерминирует черный пигмент, рецессивный аллель в – рыжий пигмент.

Р:      ААВВ      х       аавв

     сплошной               пятнистая

     черный                     рыжая     

             АВ_____________ав

                  F 1: АаВв – единообразие (сплошное черное потомство).

В генотипе животных присутствует ген-модификатор:

С – усиление непигментных участков,

с – уменьшение непигментных участков.

Бык с генотипом ААВВСС – сплошной черный, у него нет непигментированных участков; корова с генотипом ааввСС почти вся белая с маленькими рыжими пятнами; корова с генотипом ааввСс – со средними бело-рыжими пятнами; с генотипом ааввсс – почти вся рыжая с маленькими белыми пятнышками. Действие модификатора обнаруживается в присутствии гомозиготы по рецессиву (пегости), в силу чего меняются размеры непигментных участков.Такой тип наследования признаков встречается очень часто.

Число степеней

Свободы