Модуль Генетика

2

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА.

Понятие наследственности.

Наследственность – свойство живых организмов обеспечивать в ряду поколений преемственность признаков, типа обмена веществ и индивидуального развития в целом. Материально преемственность поколений обеспечивается генами соматических клеток при бесполом размножении и гамет при половом.

Наследственность дискретна, т.е. состоит из структурных единиц

– генов. При этом наследственность прерывиста, т.е. ген не сразу экспрессируется в признак в фенотипе.

Последнее утверждение означает, что между моментом наследования гена и его реализации существует промежуток времени, в который происходят следующие реакции:

Ген → мРНК → белок (фермент) → биохимические реакции →признак На каждом этапе влияние внешних факторов будет влиять на воз-

можность реализации гена в фенотипе.

Наследственность у эукариот можно разделить согласно группам наследуемых генов, на хромосомную (ядерная ДНК) и цитоплазматическую (плазмогены, митохондриальная ДНК, ДНК пластид, плазмиды бактерий).

Прерывистость и дискретность наследственности.

Наследственность обладает двумя свойствами: дискретностью и прерывистостью.

Дискретность наследственности заключается в том, что признаки дочернего организма формируются под действием наследственных факторов (генов), которые при оплодотворении не смешиваются, не растворяются, не меняют своей структуры, а при формировании новой гаметы наследуются независимо друг от друга.

Прерывистость наследственности подразумевает, что между моментом наследования гена и его экспрессией в фенотипический признак существует некоторый промежуток времени, в который происходит ряд следующих превращений.

3

Транскрипция гена – образование матричной ДНК – трансляция матричной ДНК – синтез белка (фермента) – каскад биохимических процессов – проявление признака в фенотипе.

Вполне закономерно будет предположить на любой стадии этого процесса внешние факторы воздействовать на элементы этой цепи, что будет определять возможность проявления признака.

Виды наследственности, их характеристика.

Наследственность можно подразделить на материальную и функциональную.

Материальная наследственность обеспечивается генами соматических клеток при бесполом размножении и гамет при половом. Этот вид наследственности в свою очередь также можно подразделить в зависимости от типа генетического материала на хромосомную, т.е. обеспечиваемую генами ядерной ДНК, и цитоплазматическую. Последнюю обеспечивают плазмогены, т.е. гены митохондрии, пластид и плазмиды бактерий.

Наследование признаков может осуществляться аутосомно, т.е. через гены аутосом, и сцеплено с гоносомами.

Гены, расположенные на аутосомах представлены у всех особей вида в двойном наборе. То есть данный вид наследования основывается на взаимодействии аллельных генов, возможно два подтипа наследования: аутосомно-рецессивный и аутосомно-доминантный – при условии наличия доминирования и промежуточный подтип при других видах взаимодействия аллелей.

Наследование, сцепленное с полом, зависит от локализации гена (на X- или Y-хромосоме).

Виды цитоплазматической наследственности, примеры.

Явление внеядерной или цитоплазматической наследственности состоит в способности некоторых структурных компонентов цитоплазмы сохранять и передавать от родителей к потомкам, из поколения в поколение часть наследственной информации. К таким структурным компонентам относятся митохондрии и пластиды.

Пластидное наследование характерно для растений (наследование пестрых листьев). Происходит по материнской линии, т.к. пластиды спермия на не проникают в яйцеклетку.

Митохондриальная наследование также происходит только по материнской линии по той же причине. У дрожжей митохондриальная

4

наследственность ответственна за синтез дыхательных ферментов и устойчивость к определенным антибиотикам. У человека этим способом наследуются различные синдром MELAS – нейродегенеративное заболевание, - и митохондриальный сахарный диабет.

Плазмиды бактерий (иногда у грибов и высших растений) – небольшие двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК, физически обособленные от хромосом и способные к автономной репликации. Ответственны за устойчивость бактерий к определенным видам антибиотиков.

Понятие функциональной преемственности поколений, её значение в онтогенезе.

Функциональная преемственность заключается в передаче навыков адаптивного поведения от родителей потомкам в пределах одного поколения или даже от потомков родителям. Она не обеспечивается ДНК, реализуется путем воспитания и образования (сигнальная наследственность). – это по лекции

Функциональная преемственность обеспечивает приобретение навыков выживания в начале жизни организма без попадания в критические ситуации, требующие применения этих навыков. Таким образом организм имеет большие шансы на выживание.

Современное определение гена. Свойства гена.

Ген – совокупность нескольких сегментов ДНК, определяющих синтез молекулы РНК или белкового продукта.

Свойства гена:

А) Дискретность – ген определяет формирование отдельного признака или свойства организма. Она подтверждается:

•Независимым наследование признаков и независим комбинированием признаком в фенотипе

•Мутациями генов

Б) Специфичность действия – ген контролирует развитие конкретного признака. Если же один ген определяет синтез нескольких полипептидов, то он обладает множественным (плейотропным) действием.

В) Экспрессивность – разная степень выраженности признака в фенотипе при одном и том же генотипе. Пример: варьирующая экспрессивность гена хореи Гентингтона. Причина:

•Влияние среды и других генов

5

•Доза гена (зависит от числа доминантных аллелей

вгенотипе)

Г) Пенетрантность – вероятность проявления гена в признак у его заведомых носителей. Бывает полная (обязательное проявление гена) и неполная (проявление происходит не всегда, например, врожденный вывих бедра или дегенеративная миелопатия у собак. Факторы, определяющие неполную пенетрантность, — это действие генов-модуляторов или внешние факторы.

МОНОГЕННОЕ И ПОЛИГЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ

Гибридологический анализ, особенности и цели метода. Виды скрещивания.

Гибридологический анализ — один из методов генетики, основанный на скрещивании организмов, отличающихся друг от друга по какимлибо признакам, и в последующем анализе характера наследования этих признаков у животных. Этот метод был впервые применен отцом генетики

— Г. Менделем. Стадии:

•подбор родительских пар, отличающихся по 1, 2 и более признакам

•количественный учет наследования признака в ряду поколений

•индивидуальный анализ потомства каждого гибрида Поскольку метод требует взаимодействия с большим числом род-

ственных особей разных поколений, исследователям требуются организмы с малой продолжительностью жизни и высокой плодовитостью. Также важной особенностью метода является небольшое количество групп сцепления и малое модифицирование признаков под действием окружающей среды. Эти пункты значительно определяют чистоту эксперимента.

Разумеется, человек не может быть использован в качестве подопытного при гибридологическом анализе. Тут сказывается невозможность искусственного скрещивания в интересах исследователя, низкая плодовитость, редкая смена поколений, большое число групп сцепления генов и высокая степень полиморфизма, связанного с влиянием среды.

6

Основные понятия генетики: генотип, фенотип, гомо- и гетерозиготный генотип, аллельные гены и признаки.

Генотип — совокупность всех генов данной особи.

Фенотип — совокупность признаков данной особи, результат реализации информации генотипа и влияния окружающей среды.

Гомозиготный генотип — генотип, в котором на гомологичных хромосомах располагаются идентичные аллели гена.

Гетерозиготный генотип — генотип, в котором на гомологичных хромосомах располагаются различные аллели гена.

Аллельные гены — варианты гена, возникшие самопроизвольно или в результате действия внешних условий и различающиеся по содержащейся в ней информации.

Признак — свойство или показатель морфологического, физиологического или биохимического характера, которое можно оценить количественно и качественно и которое позволяет отличать одну особь от другой в пределах семьи, популяции, вида.

Формулировка и цитологические основы 1-ого закона Г. Менделя.

При скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся между собой по 1 альтернативному признаку, все гибриды первого поколения окажутся единообразными по генотипу и фенотипу, будут нести признаки в генетическую информацию обоих родителей.

При скрещивании двух особей чистых линий, отличающихся по паре альтернативных признаков, наблюдается единообразие гибридов первого поколения.

Наследование признаков осуществляется посредством наследования генов. Как мы помним, конечная диплоидность организма, восстанавливается после слияния гаплоидных гамет, несущих признаки отцовского организма. При образовании гамет каждая получает одну из пары гомологичных хромосом, а значит один ген. Проявление признака у потомка обусловлено взаимодействием геном отца и геном матери. А поскольку и отец и мать являются гомозиготами, их гаметы при образовании получают единственную возможную аллель. Таким образом проявление признака у потомства имеет единственно возможный вариант.

Формулировка и цитологические основы второго закона Г. Менделя.

Закон расщепления: при независимом наследовании среди гибридов второго поколения наблюдается расщепление (3+1)n по фенотипу и (1+2+1)n по генотипу, где n – количество наследуемых признаков.

7

При взаимодействии генов обозначим доминантную аллель А, а рецессивную — a. Полученные нами гибриды первого поколения имели генетическую формулу Aa. При скрещивании между гибридами получатся следующие варианты AA, 2Aa, aa. То есть при моногибридном наследовании генотипическое расщепление равно 1:2:1, а фенотипическое (с учетом взаимодействия генов) — 3:1.

Понятие независимого наследования. Формулировка и цитологические основы III закона Г. Менделя.

Признаки у потомства комбинируются независимо, а гены, их контролирующие, наследуются независимо друг от друга, если эти гены расположены в разных парах хромосом.

Разумеется, при расположении генов в разных хромосомах и независимом расхождении хромосом в анафазе наследование различных генов никак не связано друг с другом.

Понятие и цели анализирующего скрещивания.

Анализирующее скрещивание применяется для выяснения генотипа организма, несущего доминантный аллель. Для этого данная особь скрещивается с гомозиготной по рецессивному аллелю. В случае, если исследуемая особь является гомозиготой, исследователь получает единообразных гибридов первого поколения. В противном случае наблюдается расщепление 1:1.

Понятие признака. Моногенные признаки, их характеристика; примеры нормальных и патологических признаков у человека.

Признак — единица морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организмов, т.е. отдельное качество или свойство, по которому они отличаются друг от друга. Признаки могут быть простые (аминокислотная последовательность полипептидной цепи) или сложные (большинство свойств организма, которые требуют синтеза множества сложных веществ, в первую очередь белков со специфическими свойствами).

Моногенные признаки — признаки, которые являются результатом реализации одного гена. Они имеют следующие особенности:

•Наследуются как единое целое.

•Проявляются только в альтернативной форме

•Дают мало фенотипов в потомстве при расщеплении

•Под влиянием внешней среды изменяются только экспрессивность и пенетрантность гена

8

•Наследование осуществляется по законам Менделя

В норме у человека моногенными признаками являются около 5 тыс.: системы группы крови AB0, MN, Rh, цвет глаз, способность различать вкус фенилтиокарбамида.

Моногенными являются серповидно-клеточная анемия, муковисцидоз, болезнь Харингтона, гемофилия A, B, дальтонизм.

Полигенные признаки, их понятие, механизм наследования; примеры нормальных и патологических признаков у человека.

Полигенные признаки — это непрерывные, в основном количественные признаки, представленные в потомстве множеством фенотипических классов. Формирование одного такого признака происходит под контролем нескольких неаллельных генов. Для полигенных признаков характерны следующие особенности:

между фенотипами нет четких границ, поэтому может наследоваться только часть признака

в потомстве возможно появление новых фенотипов распределение фенотипов в популяции соответствует

нормальному (чаще встречаются особи со средним значением признака) внешние условия оказывают значительное влияние на

формирование фенотипа цифровое расщепление не соответствует второму закону Г.

Менделя Примером нормальных полигенных признаков являются рост,

масса тела, степень пигментации кожи, биохимические показатели крови, артериальное давление, интеллект (?)

Патологическими полигенными признаками являются предрасположенность к МФЗ (мультифакторным заболеваниям), гипертония, атеросклероз, язвенная болезнь.

Понятие о моногенных болезнях человека, особенности их прогнозирования, примеры.

Моногенные болезни — это наследственные заболевания, вызванные изменениями в пределах одного гена, т.е. генными мутациями. Они наследуются согласно законам Г. Менделя.

В результате повреждения гена возможны следующие ситуации:

•синтез аномального белка

•выработка избыточного количества генного продукта

•отсутствие выработки первичного продукта

9

•выработка уменьшенного количества нормального первичного продукта

Клинические проявление генных заболеваний, тяжесть и скорость их развития зависят от особенностей генотипа организма, возраста больного, условий внешней среды (питание, охлаждение. Стрессы, переутомление) и других факторов.

Гетерогенность — возможность того, что одно и то же заболевание может быть обусловлено мутациями в разных генах или разными мутациями внутри одного гена.

Частота встречаемости составляет 1 — 2%.

АД наследуются пороки скелета, зрения, патологии, соединительной ткани

АР наследуются нарушения белкового обмена, липидного обмена, углеводного обмена, гормонов.

Существует несколько методов диагностики генных болезней: неинвазивный пренатальный скрининг, преимплантационное генетическое тестирование.

Примеры: муковисцидоз, бета-талассемия (нарушения синтеза гемоглобина), синдром Барде-Бидля (множественные нарушения, наихудшее — поражение сетчатки, отклонения в психическом и эмоциональном здоровье), синдром Андерманна (агенезия мозолистого тела и периферическая нейропатия).

Понятие мультифакторных заболеваний, особенности их прогнозирования, примеры.

Мультифакторные заболевания — это заболевания, возникающие при неблагоприятном сочетании ряда факторов: генетических особенностях (генетической предрасположенности) и влияния «внешней среды».

Частота встречаемости больше 1-2%. Особенности МФЗ:

в этиологии важна роль изменений в геноме предрасположенность зависит от большого числа генов характер наследования не объясняется только законами Менделя

предрасположенность реализуется под влиянием большого числа факторов внешней среды.

10