Организменный уровень организации генетической информации.
Взаимодействие генов.
ГЕНЕТИКА изучает закономерности наследственности и изменчивости.
(греч.genetikos – относящийся к происхождению).
Наследственность и изменчивость – основные свойства живой материи.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ – свойство организмов повторять в ряде поколений сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды.
ИЗМЕНЧИВОСТЬ – явление противоположное наследственности.
Изменчивость- способность организмов изменять свои свойства и признаки.
История генетики начинается с 1900 г., когда трое ученых – Г.де Фриз (Голландия), К. Корренс (Германия) и Э.Чермак (Австрия) независимо друг от друга переоткрыли закономерности наследования признаков в потомстве гибридов уже сформулированные в 1865 г. Г.Менделем и изложенные им в статье «Опыты над растительными гибридами».
Термин «ГЕНЕТИКА» предложил английский ученый У.БЭТСОН в 1906 г., а в 1909 г. Датский ботаник В.ЙОГАНСЕН единицы наследственности назвал ГЕНАМИ.
Однако, генетика имеет древнюю историю. Многие тысячелетия до нашей эры люди выводили домашние породы животных и культурные сорта семян.
В Библии записано: «…скота своего не своди с иною породой, поля твоего не засевай двумя родами семян», что свидетельствует о знании древними евреями важности поддержания чистых линий животных и растений.
Первые теории наследственности были сформированы еще в Древней Греции.
Знаменитый врач ГИППОКРАТ (5 в. до н.э.) полагал, что в яйце или теле матери должен находиться маленький, но полностью сформированный организм. Такие убеждения позже стали называться ПРЕФОРМИЗМОМ (лат. praeformo- заранее образую).
Менее чем через 100 лет АРИСТОТЕЛЬ высказал противоположные взгляды: организм развивается из бесструктурной, гомогенной массы, приобретая свойственное ему строение в процессе эмбрионального развития. - теория ЭПИГЕНЕЗА.
Оба течения – ПРЕФОРМИЗМ и ЭПИГЕНЕЗ – достигли наибольшего распространения в ХVII и ХVIII вв.
Лишь после радикально нового подхода, созданного Г. Менделем, наступила новая эра в понимании механизмов, управляющих процессом самовоспроизведения у человека и других живых существ.
ГРЕГОР ИОГАНН МЕНДЕЛЬ – создал учение о закономерностях явлений наследственности – МЕНДЕЛИЗМ, которое является величайшим открытием в биологии за последние 500 лет.
Г.МЕНДЕЛЬ (1822 – 1884 г.г.) с 1856 г. Начал проводить в монастырском садике (шириной 7 м и длиной в 35 м) хорошо продуманные обширные опыты по скрещиванию растений. 8 лет шли эксперименты с горохом.
Работы Г.МЕНДЕЛЯ основаны на опытах по гибридизации, которые были на научной основе начаты в Европе в середине ХVIII в.
Г.Мендель тщательно изучил работы видных ученых в области гибридизации и пришел к выводу, что их основной ошибкой были не в полном объеме выполненные опыты.
Г.Мендель проводит тщательное планирование исследований, что легло в основу разработанного им ГИБРИДОЛОГИЧЕСКОГО МЕТОДА изучения наследственности.
Объектом для экспериментов Г.Мендель выбрал самоопыляемое растение – садовый горох, имеющий много сортов, отличающихся контрастными или альтернативными проявлениями признаков:
- красная и белая окраска лепестков цветков;
- желтые и зеленые семена;
- гладкие и шероховатые поверхности семян и др.
При размножении эти сорта стойко наследовали свои особенности.
Гибридологический метод изучения наследственности.
В опытах используются только особи, которые в предварительных исследованиях не давали изменения признаков (гомозиготные особи чистых линий растений гороха).
1. Скрещиваются организмы, которые отличающихся друг от друга одной или несколькими парами взаимоисключающих или альтернативных признаков.
2. Точный количественный учет всех организмов, различающихся по каждой паре изучаемых признаков, в ряде последующих поколений.
3. Индивидуальный анализ потомства от каждого скрещивания в ряде поколений.
Г.М.- основной метод в классической генетике и в настоящее время.
Большой заслугой Г.Менделя было также и то, что он ввел для объяснения гибридологического анализа АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ СИМВОЛЫ, тем самым облегчил восприятие материала, его анализ и выведение закономерностей.
Р – родители (лат. parentes);
F1 – особи первого поколения (лат.filii – дети);
F2 – особи второго поколения;
х – скрещивание;
Генотипическую формулу материнской особи (♀) записывают первой, а отцовскую (♂) – второй.
Наследственные факторы (гены) обозначаются буквами латинского алфавита (доминантный аллель- заглавной, а рецессивный – строчной).
Г.МЕНДЕЛЬ впервые указал на необходимость изучения закономерностей поведения одной пары признаков (уравнение с одним неизвестным).
МОНОГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ – скрещивание родительских особей, которые отличаются по одной паре альтернативных признаков.
Полное доминирование.
Во втором поколении (F2) Г.Мендель обнаружил два явления:
1.Снова появился признак (белая окраска цветов), который отсутствовал у F1;
2. Соотношение растений с красными и белыми цветками было примерно 3: 1 (из 926 растений 705 имели красные цветки, а 224 – белые – соотношение 3,15: 1).
Г.Мендель провел аналогичные опыты, учитывая поведение других пар признаков в моногибридном скрещивании, и получил подобные результаты:
из 8023 семян гороха 6022 были желтые, а 2001 – зеленые (3,01: 1) и т.д.
Г.Мендель рассуждал так: если признак а проявился в F2, то он не исчез в F1, а временно отступил, не развился. Следовательно, этот признак в гибридах F1 существует в виде фактора, его определяющего. Тем самым он выдвигает гипотезу о двойственности факторов (Аа) у гибридов. Если у гибридов наследственные факторы удвоены, тогда у родителей они также в двойном наборе (АА, аа).
На основании результатов опытов Г.МЕНДЕЛЬ сделал два вывода, которые были в последующем названы первым и вторым законами Менделя.
Признак, проявляющийся в первом поколении, называется ДОМИНАНТНЫМ.
РЕЦЕССИВНЫЙ признак – признак, подавляемый в первом поколении.
ФЕНОТИП – совокупность всех признаков организма.
ГЕНОТИП – совокупность всех генов организма.
1-й ЗАКОН МЕНДЕЛЯ – Закон единообразия гибридов первого поколения.
При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся одной или несколькими парами альтернативных признаков, гибриды первого поколения единообразны как по фенотипу, так и по генотипу.
2-й ЗАКОН МЕНДЕЛЯ – Закон РАСЩЕПЛЕНИЯ:
При скрещивании двух гетерозиготных особей во втором поколении наблюдается расщепление по генотипу в соотношении 1:2:1, а по фенотипу 3:1.
Блестящий вывод Г.МЕНДЕЛЯ:
Растения гороха передают потомкам наследственные признаки в виде дискретных единиц.
Каждое растение имеет гомологичную пару таких единиц или генов (Йогансен).
Кроме создания гибридологического метода и открытия всеобщих законов генетики Г.Мендель предложил гипотезу «чистоты гамет» и описал явление неполного доминирования.
Мендель показал,- что наследственные факторы распределяются в потомстве случайно, - открытые закономерности носят чисто статистический характер, - все случаи передачи признаков подчиняются законам вероятности: если число потомков достаточно велико, соотношение их будет более точно выражено.
АЛЛЕЛЬНЫЕ ГЕНЫ – это гены, контролирующие различное выражение одного признака и находящиеся в одинаковых локусах гомологичных хромосом.
ГОМОЗИГОТНЫЕ ОСОБИ - в аллели оба гена одинаковы, или доминантные (АА) или
рецессивные (аа).
ГЕТЕРОЗИГОТНЫЕ ОСОБИ – в аллели оба гена различны (Аа).
Основное положение закона чистоты гамет:
При образовании половых клеток в процессе мейоза у гибридных организмов аллельные гены, находящиеся в гомологичных хромосомах расходятся в разные гаметы- гаметы чисты.
При оплодотворении и образовании зиготы парность хромосом восстанавливается.
АНАЛИЗИРУЮЩЕЕ СКРЕЩИВАНИЕ.
Гомозиготные по доминантному типу и гетерозиготные особи внешне не отличаются.
Для анализа генотипа производят скрещивание особи с неизвестным набором генов с гомозиготой по рецессивному гену и в зависимости от проявления признаков у потомков определяют генотип:
| Р ♀АА х ♂ аа | Р ♀ Аа х ♂ аа |
| G: А; а; | G: А,а а; |
| F1 Аа-100% | F1 Аа-50%, аа-50% |
| Все особи несут доминантный признак | ½ особей несет доминантный признак. |
НЕПОЛНОЕ ДОМИНИРОВАНИЕ или ПРОМЕЖУТОЧНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ.
(доминантный ген не подавляет полностью действия рецессивного гена.)
Классический пример – наследование окраски цветков у ночной красавицы.
Расщепление по генотипу и фенотипу 1: 2: 1 у гибридов F2
ДИГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ – скрещивание родительских особей, которые отличаются по двум парам альтернативных признаков.
А – желтая окраска семян; В – гладкая поверхность
а – зеленая окраска семян; в - морщинистая «-».
| Р | ♀ ААВВ | х | ♂ аавв | |
| желтые гладкие семена | зеленые морщинистые | |||
| G: | АВ | ав | ||
| F1 | ♀ АаВв | х | ♀ АаВв | |
| желтые глад. | желтые глад. | |||
Расщепление по фенотипу:
(3: 1)2 = 9: 3: 3: 1
Расщепление по генотипу:
1: 2: 2: 4: 1: 2: 1: 2: 1
ААВВ;ААВв;АаВВ;АаВв;ААвв;Аавв;ааВВ;ааВв;аавв.
3-ий ЗАКОН МЕНДЕЛЯ - ЗАКОН НЕЗАВИСИМОГО КОМБИНИРОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ: Гены различных аллельных пар и соответствующие им признаки передаются потомству независимо друг от друга, комбинируясь в различных сочетаниях.
(3: 1)n; «n» - число парных признаков.
Например: (3:1)3 =27:9:9:9:3:3:3:1.
Успехи Г.Менделя частично зависели от удачного выбора объекта исследования – гороха посевного.
Преимущества, которые имеет этот вид:
- имеет много сортов, которые хорошо отличаются один от другого;
- легко выращивать, дает несколько урожаев за один сезон;
- самоопыляющееся растение;
- возможно искусственное опыление;
- дает многочисленное плодовитое потомство.
- гены изученных признаков находятся в различных парах хромосом.
Современники Г.Менделя не смогли оценить важности сделанных им выводов и закономерности наследования оставались незамеченными вплоть до 1900 года.
Спустя годы после смерти Г.Менделя вдруг оказалось, что он был великим ученым, прорвавшимся в неведомый отсек природы. Причем широко эрудированным исследователем, чей оригинальный ум сумел точно задать живой природе один из коренных вопросов ее бытия и в последовательном титаническом труде получить четкий однозначный ответ.
Редкий в истории знаний случай, когда одна статья» «Опыты над гибридами» знаменует собой рождение новой научной дисциплины – генетики.
В 100-летнюю годовщину опубликования работы, в 1965 г. на территории бывшего монастыря был организован музей – мемориал, названный «МЕНДЕЛИАНУМ».
- изученные признаки гороха – моногенные, т.е. их проявление определяется одним геном.
Целый ряд признаков у человека так же наследуются моногенно в соответствии с универсальными закономерностями наследования, установленными Г.Менделем и называются МЕНДЕЛИРУЮЩИМИ ПРИЗНАКАМИ – проявление признака определяется взаимодействием аллельных генов, один из которых доминирует (подавляет) другой.
Для человека характерны все типы наследования менделирующих признаков: аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный, сцепленный с гомологичным участком Х- и Y- хромосом.
МНОЖЕСТВЕННЫЕ АЛЛЕЛИ.
Более 2-х аллельных генов образуют серии множественных алллелей.
Они возникают в результате многократного мутирования одного и того же локуса в хромосоме.
Между геном А и геном а появляются промежуточные гены, которые по отношению к
доминантному гену ведут себя как рецессивные, а по отношению к рецессивному – как доминантные аллели того же гена.
ПРИМЕРЫ: - наследование групп крови по системе АВО (3 аллеля);
- наследование гемоглобина (> 100 аллелей).
- резус принадлежность (3 аллеля).
Но каждый конкретный диплоидный организм может быть носителем не более 2-х аллелей.
Наследование групп крови по системе АВО было открыто австрийским бактериологом К. ЛАНДШТЕЙНЕРОМ в 1900 г.
| Группы крови | Антигены на поверх.эритр. | Антитела в сывор.кр. | Гены | Генотипы |
| I(0) | - | α,β | IО | IОIО |
| II(А) | А | β | IА | IАIА,IАIО |
| III(B) | B | α | IВ | IВIВ,IВIО |
| IV(AB) | A,B | - | IА,IВ | IА IВ |
4 группы крови определяются тремя аллелями одного гена I (IА,IВ,IО), которые располагаются в 9 паре хромосом. Аллели I А и IВ доминантны по отношению к аллелю IО,но кодоминантны по отношению друг к другу.
При наличии трех аллелей возможно 6 генотипов.
IА >IО <IВ
Группы крови стабильны, легко определимы, доступны при изучении частоты фенотипа в популяции;
Наследование групп крови подчиняется Менделевским закономерностям, характеризуется генетической детерминированностью, не зависит от внешних условий и не изменяется на протяжении жизни.
Значение в практической медицине:
1. В трансфузиологии – при подборе доноров для переливания крови.
2. В судебной медицине – исключение отцовства, идентификация лица.
В 1940 г. К. Ландштейнер и А.Винер описали еще один антиген (белок, который выявили у обезьяны макака-резус, а потом и у человека), названный РЕЗУС ФАКТОРОМ и открыли новую группу крови – резус Rh.
У 85% людей содержится в К. Ландштейнер крови этот фактор – резус положительные (Rh+).
У 15% резус-отрицательных (Rh-) этого фактора нет.
Наследование резус-фактора обусловлено тремя парами генов – C, D, E, тесно сцепленных между собой (локазизованы в 1 паре хромосом человека), поэтому чаще всего имитирует моногенное наследование и в практической работе различают 2 аллеля:
- резус-положительные – в их крови содержится главный антиген системы резус – D (ген D),
- резус-отрицательные – имеют рецессивный ген d.
Следовательно, резус-фактор наследуется как аутосомно-доминантный менделирующий признак.
Возникновение антител в системе АВО происходит естественным путем, а в системе резуса – вследствие реакции иммунизации.
Значение в практической медицине:
- в трансфузиологии – повторное переливание Rh+ крови rh-человеку может привести к смерти.
- в акушерстве – резус-несовместимость Rh(-)ма - тери и Rh(+)плода является причиной иммунного конфликта, приводящего к эритробластозу плода и гемолитической болезни новорожденных при второй беременности.
В настоящее время известно более 19 систем эритроцитарных групп крови, в которые входят более 120 различных антигенов:
АВО, Rh, MN, Р, ДАФФИ, ЛЬЮИС, ЛЮТЕРАН, КЕЛЛ, КИДД, ДИЕГО, КРОМЕР и др.
Установленные Г. Менделем принципы независимого наследования проявляются только тогда, когда гены, определяющие эти признаки, находятся в разных хромосомах.
Г.Мендель анализировал контрастирующие признаки, каждый из которых был представлен двумя альтернативными формами, определяемыми аллелями одного гена. Однако такие четко различимые альтернативные формы существуют далеко не для всех признаков.
Развитие любых признаков у организмов является следствием сложных взаимодействий между генами, точнее – между продуктами их деятельности – белками – ферментами.
УПРОЩЕННАЯ СХЕМА:
ГЕН → и-РНК → БЕЛОК-ФЕРМЕНТ → БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ → ПРИЗНАК
Действие гена на признак может быть различно в зависимости от того, в комплексе с какими генами оказывает влияние данный ген на развитие признака.
 |
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ.
1.Полное доминирование:
- один аллель гена полностью скрывает присутствие другого аллеля;
- одинаковый фенотип у гомозигот и гетерозигот;
- расщепление по фенотипу в F2 3: 1.
МОНОГЕННЫЕ или МЕНДЕЛИРУЮЩИЕ признаки:
ямочки на щеках; -свободная мочка уха; способность свертывать язык трубочкой; кареглазость; - праворукость; - Rh +; веснушки на лице; - темные волосы; способность загибать язык назад; -низкий рост; большие глаза; - толстые губы; -»римский нос».
2. НЕПОЛНОЕ ДОМИНИРОВАНИЕ ИЛИ ПРОМЕЖУТОЧНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ:
- разный фенотип у гомозигот и гетерозигот;
- расщепление по фенотипу в F2 1:2:1;
Примеры:
- курчавые волосы (АА) и прямые волосы (аа)
- волнистые волосы (Аа);
- тенор и бас - баритон;
- альтовые голоса и сопрано - меццо-сопрано;
- анофтальмия;
- цистинурия.
Отклонения от ожидаемого расщепления по законам Менделя вызывают ЛЕТАЛЬНЫЕ ГЕНЫ.
Большинство летальных аллелей находится в рецессивном состоянии и служат причиной гибели особей, гомозиготных по ним.
D – не образуются спайки в легких;
d - образуются спайки в легких, что ведет к смерти при рождении.
| Р | ♀ Dd | × | ♂ Dd | |
| G: | D,d | D,d | ||
| F1 | Dd, Dd, Dd, dd – гибнет | |||
| Расщепление по фенотипу 1: 2. | ||||
Иногда летальной бывает доминантная аллель, которая вызывает гибель при образовании гомо-зигот. В гетерозиготном состоянии организмы остаются живыми (расщепление в F2 2:1).
Примеры:
- брахидактилия (укороченные пальцы): признак проявляется в гетерозиготном состоянии. У АА – гибель на ранних стадиях эмбриогенеза;
3.Сверхдоминирование:
- доминантный ген в гетерозиготном состоянии проявляется сильнее, чем в гомозиготном;
ПРИМЕР:
Продолжительность жизни у дрозофилы:
- АА - нормальная продолжительность жизни;
- Аа - увеличенная продолжительность жизни;
- аа - летальный исход.
4. КОДОМИНИРОВАНИЕ:
- проявление у гетерозигот признаков, детерминированных обоими аллелями.
ПРИМЕРЫ:
- │A│B - IV группа крови по системе АВО;
- │M│N – группа MN по системе MN.
5. АЛЛЕЛЬНОЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ:
- у гетерозигот в одних клетках активна одна аллель, а в других – другая.
 |
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕАЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ.
1. Комплементарное действие:
- проявление нового признака при наличии в одном генотипе 2-х доминантных неаллельных генов;
Классический пример:
Наследование окраски цветов у душистого горошка.
У гибридов F2: 9 растений с красными цветками и 7 – с белыми.
- расщепление по фенотипу у гибридов F2 9:7 или 9:3:4 или 9: 3: 3: 1.
Примеры комплементарного действия у человека:
- развитие нормального слуха (D-E-);
- синтез интерферона;
- синтез молекулы гемоглобина;
- наследственная близорукость;
- наследственная слепота;
- появление глаукомы;
- пигментация волос;
- глухонемота;
- развитие ретинобластомы и нефробластомы;
- формирование половой принадлежности (синдром Морриса).
2. ЭПИСТАЗ:
- ген одной аллельной пары (доминантный или рецессивный) подавляет действие неаллельного гена другой пары.
ГЕН-СУПРЕССОР –I или i > C- гипостатический ген.
Классический пример: наследование окраски оперения у кур.
В F2 получили 13 белых кур и 3 черных.
Расщепление по фенотипу в F2 13:3 или 12: 3: 1.
Примеры эпистаза у человека:
- ферментопатии – наличие или отсутствие продуктов реализации какого-либо гена препятствует образованию жизненно важных ферментов, кодируемых другим геном.
- подавление выделения антигенов по системе АВО в слюне и других секретах при наличии в гомозиготном состоянии рецессивного гена по другой системе крови – системе Люис.
- формирование групповой принадлежности крови по системе АВО («бомбейский феномен»).
Р ♀ │o/В│oхх ×♂ │A│oХХ
F1 │A│BХх
«Бомбейский феномен» - редкий рецессивный аллель «x» в гомозиготном состоянии (хх) препятствует формированию антигенов на поверхности эритроцитов и подавляет активность доминантного аллеля гена I по системе АВО (IA или IB); фенотипически эти аллели не проявляются и формируется I- я группа крови.
3. ПОЛИМЕРИЯ.
Доминантные гены из разных аллельных пар усиливающие проявление одного и того же признака называются полимерными.
Взаимодействие таких генов в процессе формирования признака называется ПОЛИМЕРИЕЙ.
С помощью полимерных генов наследуются количественные или полигенные признаки. Полимерные гены обозначают одной буквой латинского алфавита с цифровым индексом - А1А1А2А2А3А3. Полимерия была открыта и изучена шведским генетиком Нильсоном-Эле в 1908 г. при изучении наследования окраски зерна у пшеницы. Важная особенность полимерии – суммирование действия неаллельных генов на развитие количественных признаков.
Расщепление по фенотипу в F2 15:1.
Биологическое значение полимерии:
полигенные признаки более стабильны, чем моногенные. Организм без полимерных генов был бы крайне неустойчив: любая мутация приводила бы к резкой изменчивости.
У человека многие морфологические, физиологические и патологические особенности определяются полимерными генами:
рост, вес, величина артериального давления,осн.обм., пигментация кожи, телосложение, продолжит.жизни, развитие умственных способностей, склонность к гастритам, ожирению, сахарному диабету, шизофрении, невосприимчивость к инфекцион. заболеваниям.
Развитие полигенных признаков у человека подчиняется общим законам полигенного наследования и зависит от условий внешней среды.
Например: предрасположенность к гипертонической болезни, ожирению.
Эти признаки при благоприятных условиях среды могут и не проявиться или проявиться в незначительной степени. Этим полигенно-наследственные признаки отличаются от моногенных.
Изменяя условия среды можно в значительной мере обеспечить профилактику ряда полигенных или мультифакториальных заболеваний.
4. «ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ» - взаимное влияние генов разных аллелей, занимающих близлежащие локусы одной хромосомы. Оно проявляется в изменении их функциональной активности.
Rh- принадлежность человека определяется 3-я тесно сцепленными генами, расположенными в одной хромосоме.
Организмы с набором генов CDE/cDe и CDe/сDE генетически идентичны (общий баланс генов одинаковый). Но у лиц с 1-й комбинацией генов образуется много антигена Е и мало антигена С, а у лиц со 2-м генотипом - < антигена Е и > - С.
Любой признак или свойство в организме развивается в результате сложных, последовательно связанных между собой биохимических реакций и морфо-физиологических процессов, контролируемых многими генами.
|
Любые гены в организме в одно и то же время могут быть генами «основного действия» по одним признакам и генами-модификаторами по другим.
ПЛЕЙОТРОПИЯ: - один ген отвечает за проявление нескольких признаков (множественное действие гена).
Примерами плейотропного действия генов у человека служат синдромы Марфана (паучьи пальцы), «голубых склер», болезнь Хартнепа, серповидно-клеточная анемия.
 | ||||||||||||||
| ||||||||||||||
 | ||||||||||||||
 | ||||||||||||||
 |  | |||||||||||||
| ||||||||||||||
|
Показателями, характеризующими фенотипическое проявление гена в популяции, является ЭКСПРЕССИВНОСТЬ и ПЕНЕТРАНТНОСТЬ.
Термины были предложены русским ученым Н.В.Тимофеевым- Ресовским в 1925 г.
ЭКСПРЕССИВНОСТЬ (от лат.expressio-выражение) - степень выраженности признака у разных особей – носителей соответствующего гена.
ПЕНЕТРАНТНОСТЬ (от лат.penetrans-проникновение) - частота фенотипического проявления гена в популяции особей, являющихся его носителями (100%- полная,<100%неполная).
Э.и П.-опред. взаимодействием гена с генотипической и внешней средой.
