Генетика (Лекция 7)

Генетика - наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости.
Наследственность - свойство организмов повторять в ряду поколений сходные признаки, обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды.
Вследствие этого каждый вид организмов воспроизводит себя из поколения в поколение.

Изменчивость – заключается в изменении наследственных задатков, а также в различном их проявлении в процессе развития организмов при взаимодействии с внешней средой.

Г. Мендель
Основные законы наследственности опубликовал в 1866г. в статье «Опыт над растительными гибридами»
Законы Менделя были вторично открыты в 1900г. – год рождение генетики.
Де Фриз, Корренс, Чермак независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследования признаков, установленные Г.Менделем

Генетика прошла несколько этапов развития:
1. С 1900-1910 гг.
Закономерности наследования с помощью гибридологического анализа изучали на уровне организма у растений, животных, микроорганизмов.

2. С 1911-1924гг.
Связан с работами Т. Моргана и его учеников на плодовой мушке дрозофиле.
Т. Морган – основатель хромосомной теории наследственности. На этом этапе закономерности наследования изучали на клеточном уровне. К этому периоду развития генетики относятся работы Н. И. Вавилова.
3.С 1925г.
Характеризуется открытием искусственного мутагенеза у грибов под действием рентгеновского облучения. К этому периоду относятся работы Дубинина, Тимофеева-Рисовского, Четверикова.

4. Развитие генетики на молекулярном уровне в 40-е годы XX века: была расшифрована структура ДНК в 1953 Уотсоном и Криком, открыты свойства гена.
5. С 1955г – широкое проведение экспериментальных исследований на молекулярном уровне, расшифрован генетический код, разработана гипотеза биосинтеза белка в клетке, его регуляция, искусственно синтезированные гены, что привело к рождению нового научного направления – генной инженерии.

2. Структурно-функциональная организация наследственного материала. Свойства гена.
Различают три уровня наследственного материала:
генный,
хромосомный,
геномный.

Ген – функциональная единица наследственного материала, определяющая развитие признака.
По химической структуре это участок ДНК, расположенный в определённом участке (локусе) хромосомы.
В нём с помощью генетического кода записана последовательность аминокислот в белке. Гены распределены группами по хромосомам.

Хромосома – структура, состоящая в основном из ДНК и белка.
Количество хромосом всегда меньше числа генов, т. е. каждая хромосома – комплекс генов, поэтому выделяют хромосомный уровень организации хромосомного материала.

Вся совокупность генов образует единую систему, представляющую геномный уровень организации наследственного материала.
Геном - набор генов в гаплоидном наборе хромосом данного вида организмов (1n).
Генотип - сбалансированная система взаимодействующих между собой генов диплоидного (2n) набора хромосом = кариотипа.

Свойства гена:
1. Способность к самовоспроизведению (редупликации ДНК)
2. Стабильность - передается из поколения в поколение в неизмененном виде.
3. Лабильность - способность изменяться, т.е. мутировать.
Мутационный процесс идёт постоянно и не направленно, поэтому в генофонде вида возникают и сохраняются много различных аллелей одного гена.
Это явление называется множественным аллелизмом, характеризуется наличием многих вариантов отдельных признаков у представителей данного вида.

4. Дискретность действия – развитие различных признаков контролируется разными генами.
5. Специфичность – ген обуславливает развитие определённого признака или их групп.
6. Плейотропия – один ген обеспечивает развитие нескольких признаков.
7. Дозированность действия – присутствует в клетках организма в одном экземпляре, аллель обеспечивает развитие признака до определённого количественного предела.
При болезни Дауна увеличивается до трёх доз генов 21-ой хромосомы – трисомия по 21-ой хромосоме.

8. Способность взаимодействовать с другими генами.
Химическая природа гена долго оставалась неясной. В настоящее время известно, что носитель наследственной информации – ДНК.

Свойства ДНК как вещества наследственности:
1.ДНК с помощью генетического кода записывает информацию о последовательности аминокислот в белке.
2.Репликация ДНК – способность передавать генетическую информацию, т.е. реплицироваться.
3.Репарация – способность к самовосстановлению, т.е. к исправлению возникающих повреждений.

Репликация основана на 4-х принципах:
1. комплементарности;
2. антипараллельности;
3. прерывистости;
4. полуконсервативности.

Репликация - сложный процесс, происходящий в несколько этапов:
1. Разрываются водородные связи между цепочками ДНК.
2. Спецбелки удерживают материнские цепочки от смыкания.
3. Для синтеза дочерних цепочек ДНК необходима РНК-затравка: одна для лидирующей цепи (синтезируется непрерывно) и для каждого фрагмента запаздывающей цепи.
4. Запаздывающая цепь вначале состоит из участков РНК и ДНК, затем РНК-затравки удаляются. На их месте синтезируются участки ДНК, и всё сшивается.

строение ДНК

Цепочки ДНК расположены антипараллельно. Напротив 3′-ОН конца одной цепочки расположен 5′ конец другой цепочки.

Напротив А одной цепочки находится Т другой, и наоборот. Напротив Ц – Г и наоборот. Азотистые основания соединены друг с другом водородными связями

4.Редупликация ДНК (самоудвоение).

В 1977г. Гильберт установил, что у эукариот в ДНК выделяют структурные гены
экзоны - кодирующие аминокислоты,
интроны – «молчащие ДНК» и
спейсеры – участки между генами.
ДНК непосредственного участия в сборке белковой молекулы не принимает.
ДНК находится в ядре, сборка белковой молекулы происходит на рибосомах в цитоплазме, куда поступает и-РНК и т-РНК с аминокислотами.

3. Свойства генетического кода
Генетический код – система сигналов, кодирующая аминокислоты.
1. Триплетность –
три рядом стоящих нуклеотида кодируют одну аминокислоту.

2. Специфичность – каждый триплет кодирует свою аминокислоту.
3. Избыточность – аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.

4. Однонаправленность – считка информации происходит только в одном направлении.
5. Неперекрываемость – каждый нуклеотид занимает определённое место в одном триплете.
6. Универсальность – одинаковый для всех живых организмов

4. Правило хромосом:
1. Постоянство числа. Каждый вид организмов имеет определенное и постоянное число хромосом.

2. Парность хромосом. Хромосомы в соматических клетках находятся парами.

3. Специфичность. Хромосомы разных пар имеют отличия (по размеру, набору генов, расположению центромеры и т. д.)

4. Непрерывность хромосом. Способность хромосом передаваться из клетки в клетку в неизмененном виде за счет репликации ДНК.

5. Основные термины и понятия:
Признак — любая особенность строения, любое свойство организма. Развитие признака зависит как от присутствия других генов, так и от условий среды, формирование признаков происходит в ходе индивидуального развития особей. Поэтому каждая отдельно взятая особь обладает набором признаков, характерных только для нее.
Фенотип — совокупность всех внешних и внутренних признаков организма.
Ген — функционально неделимая единица генетического материала, участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК. В широком смысле ген — участок ДНК, определяющий возможность развития отдельного элементарного признака.
Генотип — совокупность генов организма.
Локус — местоположение гена в хромосоме.

Аллельные гены — гены, расположенные в идентичных локусах гомологичных хромосом.

Гомозигота — организм, имеющий аллельные гены одной молекулярной формы.
Гетерозигота — организм, имеющий аллельные гены разной молекулярной формы; в этом случае один из генов является доминантным, другой — рецессивным.

Рецессивный ген — аллель, определяющий развитие признака только в гомозиготном состоянии; такой признак будет называться рецессивным.
Доминантный ген — аллель, определяющий развитие признака не только в гомозиготном, но и в гетерозиготном состоянии; такой признак будет называться доминантным.

Генетическая символика
Р — родители;
F — потомство, (F1 — гибриды первого поколения — прямые потомки родителей, F2 — гибриды второго поколения — возникают в результате скрещивания между собой гибридов F1);
× — значок скрещивания;
G - гаметы
♂— мужская особь;
♀ — женская особь;
A — доминантный ген,
а — рецессивный ген;
АА — гомозигота по доминанте,
аа — гомозигота по рецессиву,
Аа — гетерозигота.

6. Методы генетики
Гибридологический метод — система скрещиваний, позволяющая проследить закономерности наследования признаков в ряду поколений.
Впервые разработан и использован Г. Менделем.
Отличительные особенности метода:
1) целенаправленный подбор родителей, различающихся по одной, двум, трем и т. д. парам контрастных (альтернативных) стабильных признаков;
2) строгий количественный учет наследования признаков у гибридов;
3) индивидуальная оценка потомства от каждого родителя в ряду поколений.

Скрещивание, при котором анализируется наследование одной пары альтернативных признаков, называется моногибридным

двух пар альтернативных признаков - дигибридным

нескольких пар — полигибридным

в генетике используют методы:
генеалогический — составление и анализ родословных;
цитогенетический — изучение хромосом;
близнецовый — изучение близнецов;
популяционно-статистический метод — изучение генетической структуры популяций.

Закон единообразия гибридов первого поколения, или первый закон Менделя
Особенности гороха:
1) относительно просто выращивается и имеет короткий период развития;
2) имеет многочисленное потомство;
3) имеет большое количество хорошо заметных альтернативных признаков (окраска венчика — белая или красная; окраска семядолей — зеленая или желтая; форма семени — морщинистая или гладкая; окраска боба — желтая или зеленая; форма боба — округлая или с перетяжками; расположение цветков или плодов — по всей длине стебля или у его верхушки; высота стебля — длинный или короткий);
4) является самоопылителем, в результате чего имеет большое количество чистых линий, устойчиво сохраняющих свои признаки из поколения в поколение.

Закон расщепления, или второй закон Менделя.
В F2
6022 - желтого 2001 -зеленого.

Анализ данных таблицы позволил сделать следующие выводы:
Единообразия гибридов во втором поколении не наблюдается
– часть гибридов несет один (доминантный),
- часть – другой (рецессивный) признак из альтернативной пары;
Количество гибридов, несущих доминантный признак, приблизительно в 3 раза больше, чем гибридов, несущих рецессивный признак;
Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а лишь подавляется и проявляется во втором гибридном поколении.

Явление, при котором часть гибридов второго поколения несет доминантный признак, а часть – рецессивный, называют расщеплением.
Причем наблюдающееся у гибридов расщепление не случайное, а подчиняется определенным количественным закономерностям.
На основе этого Мендель сделал еще один вывод: при скрещивании гибридов первого поколения в потомстве происходит расщепление признаков в определенном числовом соотношении.

При скрещивании гибридов первого поколения между собой (двух гетерозиготных особей) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом соотношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.
Это второй закон Менделя, закон расщепления.

Английский генетик Р.Пеннет предложил проводить генетическую запись слияния гамет в виде решетки

Гипотеза чистоты гамет.
Гаметы "чисты", содержат только один наследственный фактор из пары.
При слиянии гамет происходит соединение двух наследственных факторов в одном организме,
но они не смешиваются и остаются
в неизменном виде.

Гомозиготы образуют один тип гамет,
Гетерозиготы (гибриды) два: 50% гамет с доминантными наследственными факторами, 50% – с рецессивными.

При их слиянии
¼ потомства будет иметь генотип АА,
½ – генотип Аа,
¼ – генотип аа.

Цитологические основы первого и второго законов Менделя.

Анализирующее скрещивание -
скрещивание организма, имеющего неизвестный генотип, с организмом, гомозиготным по рецессиву

Промежуточный характер наследования признаков при неполном доминировании.

При скрещивании гибридов получаем расщепление в соотношении:
1/4 красноплодные (АА),
1/2 розовоплодные (Аа),
1/4 белоплодные (аа).

Множественный аллелизм.
Парные гены, находящиеся в одинаковых локусах (участках) гомологичных хромосом, отвечающие за развитие альтернативных признаков называют аллельными, а каждый ген пары — аллелью.

В результате мутаций может появиться и несколько аллелей одного гена, например у плодовой мушки дрозофилы известно более 12 аллелей гена, контролирующих окраску глаз.

Наследование, сцепленное с полом.
У человека 23 пары хромосом: 22 пары – аутосомы и одна пара – половые хромосомы.

Признаки, наследуемые через половые хромосомы, называют сцепленными с полом.
У человека признаки, наследуемые через Y-хромосому, могут быть только у лиц мужского пола, а наследуемые через Х-хромосому у лиц того и другого пола.
Женщины могут быть как гомозиготными, так и гетерозиготными по генам, локализованным в Х-хромосоме, а рецессивные аллели у них проявляются только в гомозиготном состоянии.

Например, ген гемофилии – рецессивный, локализованный в Х-хромосоме:
ХH ХH - здоровая женщина;
ХH Хh- -носительница гемофилии (фенотипически здорова);
Хh- гемофилик.

У мужчин только одна Х-хромосома, поэтому все локализованные в ней гены, даже рецессивные сразу же проявляются в фенотипе:
ХHY -здоровый мужчина;
ХhY - гемофилик.

У человека некоторые патологические состояния наследуются сцеплено с полом:
гемофилия, дальтонизм, недостаток фосфора в крови, повреждение эмали зубов.
В Х-хромосоме локализованы гены гипертрихоза, сращение второго и третьего пальцев на ноге.
Сцепленное с полом наследование нужно отличать от наследования, зависимого от пола. Например, ген облысения доминантный у мужчин и рецессивный у женщин.
У овец ген рогатости доминантный у самцов, рецессивный – у самок.

Плейотропное действие гена.

Взаимодействие аллельных генов.
1. Полное доминирование.
Полное доминирование проявляется в тех случаях, когда один аллель гена полностью скрывает присутствие другого аллеля.
2. Неполное доминирование.
Неполное доминирование проявляется в тех случаях, когда развитие признака зависит от дозы соответствующего аллеля, которая может изменяться в генотипе от 2 (АА), 1 (Аа) до 0 (аа).
3. Сверхдоминирование.
Сверхдоминирование заключается в том, что у доминантного аллеля в гетерозиготном состоянии иногда отмечается более сильное проявление, чем в гомозиготном состоянии.

4. Кодоминирование.
Кодоминированием называется такое состояние, когда оба аллеля в генотипе проявляют свое действие и вместе определяют новый вариант признака.
Например, наследование 4-ой группы крови у человека по системе АВО («АБноль»).

5. Межаллельная комплементация.
Межаллельная комплементация – сложное взаимодействие аллельных генов, характерное для белков с четвертичной структурой.
Гомозиготы по каждому аллелю (А′А′ или А′′А′′) образуют неактивный белок, гетерозиготы (А′А′′) – активный, включающий взаимодополняющие цепи.

Аллельное исключение.
Аллельное исключение обуславливает мозаицизм клеток.
Например, у гетерозиготного организма, в различных плазматических клетках, синтезирующих иммуноглобулины, проявляется действие разных аллелей, что увеличивает разнообразие синтезируемых белков.