39. Генетика пола

ГЕНЕТИКА ПОЛА (греч. genetikos — относящийся к рождению, происхождению), раздел генетики человека, изучающий роль механизмов наследственности и наследственной изменчивости в процессе определения и дифференциации пола. При этом имеет значение как определённый набор хромосом, так и действие ряда генов, одни из которых расположены на половых хромосомах, другие — на аутосомах. Обычно выделяют несколько уровней половой дифференциации. Первый связан с наличием Y-хромосомы, присутствие которой необходимо для дифференциации гонад по мужскому типу. У мужчин формируется 2 типа спермиев (сперматозоидов): с Х-хромосомой (23, X) и с Y-хромосомой (23, Y). B яйцеклетках набор хромосом в норме всегда 23, X. Оплодотворение яйцеклетки спермием 23, X приводит к развитию зародыша женского пола (с набором хромосом 46, XX), оплодотворение же спермием 23, Y ведёт к возникновению зародыша мужского пола (46, XY).

Формирование пола плода первоначально зависит от типа спермия, оплодотворившего яйцеклетку (т. е. за определение пола ребёнка "отвечает" мужчина, но не женщина). . Наличие Y-хромосомы является первым фактором, необходимым для формирования мужского пола плода, Если Y-хромосома отсутствует, формируется женский пол (в норме — 46, XX, при патологии половых хромосом —45, X; 47, XXX; 48, ХХХХ). В то же время при наличии Y-хромосомы, и не одной (как в норме), а двух, трёх или даже четырёх X-хромосом (см. Клайнфелтера синдром), пол пациента будет мужским. Дальнейшее развитие пола находится под контролем H-Y-антигена, контролируемого Y-хромосомой. Как только начинает образовываться этот антиген, начинается дифференциация первичных гонад (до тех пор одинаковых) у зародышей мужского и женского пола. Поэтому если по каким-то причинам H-Y антиген не формируется (либо он образуется, но клетки оказываются нечувствительными к антигену), идёт развитие по женскому типу.

Для некоторых мужчин, совершающих повторные браки, характерно появление исключительно мужского потомства, что связано с таким явлением, как арреногения.

Крайне редкие случаи обнаружения хромосомного набора 46, XX у лиц фенотипически мужского пола (но, конечно, с аспермией) обычно объясняют нераспознанным переносом части генов Y-хромосомы на одну из аутосом. Вместе с тем и Y-хромосома, и H-Y-антиген определяют лишь генетическую детерминацию пола, но не формирование наружных половых органов. Половые органы у мужчин образуются из вольфовых, а у женщин из мюллеровых протоков. У зародышей мужского пола из вольфовых протоков формируются семенные пузырьки и семенные протоки. Гормоны, вырабатываемые клетками яичек у плодов мужского пола, определяют образование наружных половых органов. Если по тем или иным причинам эмбриональные яички не продуцируют соответствующие гормоны, то наружные половые органы будут формироваться по женскому типу.

40 Генотип, геном, фенотип.

Геном [нем. Genom, англ. genom (e)], гаплоидный хромосомный набор; совокупность генов, локализованных в одиночном наборе хромосом данного организма генотип — несёт генетическую информацию о всех видовых и индивидуальных особенностях. организма.

Фенотип [от фен (биол.) и тип], особенности строения и жизнедеятельности организма, обусловленные взаимодействием его генотипа с условиями среды.

Фенотип можно определить как результат реализации генотипа в ходе онтогенеза при определенных условиях внешней среды, для которого характерна система признаков и свойств организма.

Например, у растений синтез хлорофилла, который контролируется действием, генов, не может происходить в темноте, и для этого процесса обязательно наличие света. Подобное наблюдается, и при образовании антоциана: при недостаточном освещении гены, контролирующие образование этого пигмента, действуют очень слабо или совсем не действуют. Известно, что для нормального развития, цветения и плодоношения каждый вид растения на определенных этапах онтогенеза нуждается в определенной продолжительности светового дня.

41 ГЕН, ЕГО СВОЙСТВА, КЛАССНИФИКАЦИЯ.

Ген-участок ДНК, который несет в себе информацию о строении какого либо белка

Свойства:

1 дискретность действия- развитие различных признаков контролируется разными генами.

2 стабильность - передается в ряду поколений в неизменном виде.

3 специфичность - каждый из генов обуславливает развитие определенного признака.

4 плейотропия - способность генов обеспечивать развитие одновременно нескольких признаков

Классификация генов

1)По характеру взаимодействия в аллельной паре:

- доминантный (ген, способный подавлять проявление аллельного ему рецессивного гена);

-рецессивный (ген, проявление которого подавлено аллельным ему доминантным геном).

2) Функциональная классификация

Структурные :кодирующие белки кодирующие т-РНК, кодирующие р-РНК.

Регуляторные: гены ингибиторы (подавляют активность генов), гены интерсификаторы (повышают активность генов), гены репараторы (исправляющие мутации)

42 СТРОЕНИЕ ГЕНА. ОДИН ГЕН - ОДИН ФЕРМЕНТ

Строение гена

Согласно современным представлениям, ген, кодирующий синтез определенного белка, у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов. (Рис. 2) Прежде всего, это обширная регуляторная зона, оказывающая сильное влияние на активность гена в той или иной ткани организма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее расположен непосредственно примыкающий к кодирующим элементам гена промотор-последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, ответственная за связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена. Вслед за промотором лежит структурная часть гена, заключающая в себе информацию о первичной структуре соответствующего белка. Эта область для большинства генов эукариот существенно короче регуляторной зоны, однако ее длина может измеряться тысячами пар нуклеотидов.

Важная особенность эукариотических генов - их прерывистость. Это значит, что область гена, кодирующая белок, состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов. Одни - экзоны - участки ДНК, которые несут информацию о строении белка и входят в состав соответствующих РНК и белка. Другие - интроны, - не кодируют структуру белка и в состав зрелой молекулыи РНК не входят, хотя и транскрибируются. Процесс вырезания интронов -«ненужных» участков молекулы РНК и сращивания экзонов при образовании и РНК осуществляется специальными ферментами и носит название сплайсинг (сшивание, сращивание). Экзоны обычно соединяются вместе в том же порядке, в котором они располагаются в ДНК. Однако не абсолютно все гены эукариотпрерывисты. Иначе говоря, у некоторых генов, подобно бактериальным, наблюдается полное соответствие нуклеотидной последовательности первичной структуре кодируемых ими белков. Регуляция экспрессии генов: общие сведения.

Один ген один фермент.

В 1940 г Дж. Бидл и Эдвард Татум использовали новый подход для изучения того, как гены обеспечивают метаболизм у более удобного объекта исследований – у микроскопического грибка Neurospora crassa.. Ими были получены мутации, у которых; отсутствовала активность того-или иного фермента метаболизма. А это приводило к тому, что мутантный гриб бьл не способен сам синтезировать определенный метаболит (например, аминокислоту лейцин) и мог жить только тогда, когда лейцин был добавлен в питательную среду. Сформулированная Дж.Бидлом и Э.Татумом теория "один ген - один фермент" - быстро получила широкое признание у генетиков, а сами они были награждены Нобелевской Премией.

Методы. селекции так называемых "биохимических мутаций", приводящих к нарушениям действия ферментов, обеспечивающих разные пути метаболизма, оказались очень плодотворными не только для науки, но и для практики. Сначала они привели к возникновению генетики и селекции промышленных микроорганизмов, а потом и к микробиологической промышленности, которая использует штаммы микроорганизмов, сверх продуцирующие такие стратегически важные вещества, как антибиотики, витамины, аминокислоты и др.. В основе принципов селекции и генной инженерии штаммов сверхпродуцентов лежит представление, что "один ген кодирует один фермент". И хотя это представление отлично практике приносит многомиллионные прибыли и спасает миллионы жизней (антибиотики) - оно не является окончательным. Один ген - это не только один фермент.

43 ОРГАНИЗАЦИЯ БЕЛКОВ Наследственность и изменчивость обеспечивают:

1 индивидуальное наследование и изменение отдельных признаков.

2 воспроизведения в особях каждого поколения всего комплекса морфофункциональньгх характеристик организмов конкретного биологического вида.

3 перераспределение у видов с половым размножением наследственных задатков, в результате чего потомок имеет признаки отличные от родителей. Элементарной структурой генного уровня служит ген. Передача генов от родителей к потомку необходима для развития у него определенных признаков. Благодаря наличию генного уровня возможно индивидуальное, раздельное и независимое наследование и изменение признаков.

Гены клеток эукариот распределены группами по хромосомам. Наличие хромосом обуславливает выделение хромосомного уровня. Размещение генов в хромосомах влияет на соотносительное наследование признаков, делает возможным воздействия на функцию гена со стороны его ближайшего генетического окружения- соседних генов. Геномный уровень: на этом уровне происходит широкое взаимодействие наследственных задатков. Итогом является взаимосоответвление генетической информации разных наследственных задатков, и сбалансированное развитие признаков в онтогенезе.

44 ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ, РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ.

Экспрессия, гена - перенос генетической информации от ДНК через РНК к полипептидам и белкам.

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНА, программируемый геномом процесс биосинтеза белков и(или) РНК. При синтезе белков Э. г. включает транскрипцию - синтез РНК с участием фермента РНК-полимеразы; трансляцию - синтез белка на матричной рибонуклеиновой кислоте, осуществляемый в рибосомах, и (часто) посттрансляционную модификацию белков. Биосинтез РНК включает транскрипцию РНК на матрице ДНК, созревание и сплайсинг. Э. г. определяется регуляторными последовательностями ДНК; регуляция осуществляется на всех стадиях процесса. Уровень Э. г. (кол-во синтезируемого белка или РНК) строго регулируется. Для одних генов допустимы вариации, иногда в значит, пределах, в то время как для других генов даже небольшие изменения кол-ва продукта в клетке запрещены. Нек-рые заболевания сопровождаются повышенным уровнем Э. г. в клетках пораженных тканей, напр. определенных белков, в т. ч. онкогенов при онкологич, заболеваниях, антител при аутоиммунных заболеваниях.

Различают Э. г.:

1) конститутивную - происходящую в клетке независимо от внешних обстоятельств. Сюда относят экспрессию генов, определяющих синтез макромолекул, необходимых для жизнедеятельности всех клеток, и спец. генов (тканеспецифичная Э. г.), характерных для конкретного вида клеток.

2) Индуцибелъная Э. г. определяется действием к.-л. агентов - индукторов. Ими м. б.

гормоны, ростовые в-ва и в-ва, определяющие дифференцировку клеток (напр., ретиноевая к-та). Индукция может происходить на определенной стадии развития организма, в определенной ткани; время и место индукции регулируются геномом. Как правило, изменения в Э. г. носят необратимый характер, по крайней мере в нормальных клетках. У раковых и трансформированных клеток эта закономерность может нарушаться.

В роли индукторов м.б. также и факторы внешней среды, напр. изменение т-ры, питательные в-ва.

После прекращения действия индуктора первоначальная картина Э. г. восстанавливается (временная Э. г.).

Большое значение Э. г. имеет в оптимизации синтеза белков методами генетич. инженерии. В качестве продуцента используют бактерии, дрожжи, растительные и животные клетки и даже живые организмы, такие организмы называют трансгенными. Искусственные гены конструируются таким образом, чтобы получить макс, кол-во желаемого продукта с миним. затратами, другими словами, чтобы достичь максимально высокого уровня экспрессии активного белка. Для сильной экспрессии в искусств, гене используют "сильные" регуляторные последовательности генов, обеспечивающие наибольшую продукцию белка. Часто эти последовательности ДНК имеют вирусное происхождение. Описаны случаи экспрессии целевого продукта в бактериях до уровня 50% от всего клеточного белка, Как правило, суперэкспрессированные белки нерастворимы и секретируются в периплазматич. пространство бактерии. Особую сложность представляет получение белков, токсичных для клетки. В таких случаях используют строго индуцибельные системы (напр., РНК-полимеразу фага Т7 и ген с промотором для нее) или системы, позволяющие быстро выводить продукт наружу (секретирую-щие системы). Тем не менее, достичь высокой продукции нек-рых белков все же не удается, наиб, дорогим является получение белков в животных клетках. Регулируемая экспрессия генов предполагает высокоспецифическое изменение внутриклеточного содержания кодируемых этими генами белков и нуклеиновых кислот в ответ на действие продуктов экспрессии других генов или регуляторных сигналов внутри и внеклеточного происхождения, например, низкомолекулярных метаболитов, ксенобиотиков или физических факторов (температура, ионизирующее излучение и т.п.). Избирательность таких воздействий становится возможной благодаря образованию высокоспецифических белок-белковых комплексов, комплексов лиганд-рецептор, распознаванию белками определенных последовательностей нуклеотидов ДНК или РНК, а также вследствие комплементарных взаимодействий нуклеиновых кислот друг с другом.