ЛЕКЦИЯ 9 - ГЕНЕТИКА

ЛЕКЦИЯ 9

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

Материальные носители наследственности обладают следующими свойствами:

1. обладают способностью к самовоспроизведению,

2. точно распределяются по дочерним клеткам,

3. обеспечивают все процессы и функции клетки (организма).

Такие свойства присущи только хромосомам. При этом возникшие дефекты в хромосомах не всегда могут быть устранены или равноценно замещены.

В цитоплазме повреждённые или неспособные к размножению органоиды могут быть замещены путём размножения одноимённых неповреждённых структур.

Открытие цитоплазматической наследственности принадлежит К.Корренсу, описавшему в 1908 году явление пестролистности у растения ночная красавица, которое проявляется в наличии светло-зелёных и белых пятен на зелёных листьях. Иногда такие пятна могут покрывать целые листья или даже целые ветви. Этот тип пятнистости известен более, чем для 20 родов растений. В дальнейшем исследователи научились получать такие формы путём экспериментального мутагенеза.

Наследование признака пятнистости имеет чисто материнскийхарактер. Факторы пятнистости локализованы в цитоплазме и связаны с самовоспроизводящимися элементами – пластидами.Первоначально полагали, что только они обеспечивают проявление такого фенотипа. Позднее было установлено, что хлоропласты не являются полностью независимыми от ядра структурами. Более того, известны сотни генов, локализованные в хромосомах ядра, мутации которых изменяют свойства пластид. Тем не менее, существует целое научное направление, исследующее цитоплазматические органеллы и их гены, которые полностью определяют ряд фенотипических признаков.

Рассмотрим следующую картину с точки зрения генетического анализа. Растения кукурузы с генотипом Ij/Ijимеют листья зелёной окраски, а листья растений, гомозиготных по рецессивному аллелю этого признака –ij/ij– пёстрые (зелёные с белыми пятнами).

Скрещивание гомозиготного материнского организма с зелёной окраской листьев с полосатой отцовской формой в первом поколении даёт единообразное потомство с зелёными листьями, что и ожидалось.

P Ij/Ij (зелёные листья) x ij/ij (полосатые)

Однако, если генотипы родителей будут выглядеть противоположно,

Рij/ij(полосатые листья) хIj/Ij(зелёные),

то результаты скрещивания будут иными, несмотря на то, что все генотипы обозначаются одинаковым образом – Ij/ij. Часть растений будет иметь зелёные листья, часть – полосатые, а часть – белые, т.е. являются альбиносами.

В подобных случаях говорят о том, что признак определяется свойствами цитоплазмы растения.

Поэтому схематически весь генетический материал клетки рассматривают в виде двух форм: генома ядра (хромосомы) и плазмона (плазмогены – геномы митохондрий, хлоропластов, иные наследственные материалы цитоплазмы, напр., плазмиды).

Такое разделение наследственного материала предполагает возможность его неравномерного распределения у потомков, в результате чего преобладающая передача плазмогенов через яйцеклетку может быть обусловлена хотя бы её значительно большими размерами (и, следовательно, содержимым) в сравнении с цитоплазмой, привносимой мужской половой клеткой.

Однако в природе существуют и специальные механизмы, обеспечивающие одностороннюю передачу наследственного материала потомкам. Так, изучение полового размноженияряда водорослей, у которых обе гаметы равноценны по объёму и несут пластиды, позволило установить, что в зиготе происходит разрушение пластид, вносимых мужской гаметой.Дажеу более высоко организованных растений, напр., у одного из представителей голосеменныхрода Pinusмитохондрии, пропластиды и иные элементы, вносимые в яйцеклетку мужской гаметой при её оплодотворении, разрушаются и также не передаются клеткам зародыша.

Широко известным примером одностороннего цитоплазматического наследования является цитоплазматическая мужская стерильностьу растений. Этот феномен впервые был обнаружен К.Корренсом в 1904 году у растения летний чабер, затем у льна, лука, подсолнечника, кукурузы.

У однодомного растения кукурузыразнополые цветки собраны в разные соцветия. У ряда сортов были обнаружены растения, имевшие в метёлках недоразвитые пыльники, часто совершенно пустые или с недоразвитой пыльцой, неспособной к оплодотворению.

Опыление растений с таким фенотипом нормальной пыльцой с других растений даёт потомство со стерильной пыльцой. При повторении подобных скрещиваний в течение ряда поколений признак мужской стерильности не исчезает, передаваясь по материнской линии.

В специальном экспериментевсе 10 пар хромосом растений со стерильной пыльцой замещали на хромосомы от растений с фертильной пыльцой. В результате фенотип мужской стерильности сохранялся. Эти исследования убедительно доказали наследование рассмотренного признака через цитоплазму. Поэтому в дальнейшем для обозначения генотипа растения со стерильной пыльцой, обусловленной свойством цитоплазмы, стали применять обозначение – цит^S(стерильная цитоплазма), а генотип растений с нормальной пыльцой – цит^N.

Позднее было установлено, что проявление или отсутствие стерильных свойств цитоплазмы зависит от наличия в ядерном геномеорганизмагена, обозначенногоRf. Наличие хотя бы одного доминантного аллеля ликвидирует явление стерильности цитоплазмы, которое проявляется только у гомозиготных по рецессивному аллелю по этому гену растений. Таким образом, растения с генотипами цит^SRfRfи цит^SRfrfадекватны фенотипу растений с генотипом цит^N, обеспечивающим фертильность пыльцы, и только формы с генотипом цит^Srfrfобладают стерильной пыльцой. Поэтому генRfстали называтьвосстановителем фертильности пыльцы. Он не изменяет структуру или специфичность цитоплазмы, а лишь нейтрализует проявление её действия, в связи с чем его можноотнести к генам-модификаторам.

Цитоплазматическая мужская стерильность у кукурузы вызывает уменьшение числа листьев, снижает рост растений, наблюдается небольшая депрессия и по ряду других фенотипических признаков. Непосредственной причинойэтого считают нарушение биосинтеза одного из белков, важных для процесса микроспорогенеза или обеспечения снабжения питания пыльников растения.

Мужская стерильность у другого растения – сахарной свёклы обусловлена взаимодействием стерильной цитоплазмы и двух ядерных генов, обозначаемых буквами Х и У. У других растений фенотип проявляется при взаимодействии стерильной цитоплазмы с тремя ядерными генами. При этом полностью стерильная пыльца бывает только у рецессивных гомозигот (напр., цит^Sxxyyили цит^Sxxyyzz). Присутствие хотя бы одного доминантного аллеля ядерных генов приводит к тому, что часть пыльцы остаётся фертильной, поэтому такие формы получили названиеполустерильных.

Таким образом, у разных растений проявление цитоплазматической мужской стерильности может быть обусловлено сочетанием стерильной цитоплазмы с разным числом ядерных генов.

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ ГЕНЫ И ДНК

Важнейшие из известных нам цитоплазматических генов находятся в органеллах – хлоропластах и митохондриях. Эти органеллы, играющие в клетке роль главных производителей энергии, содержат не только свою собственную специфическую ДНК, но также специфические РНК, ферменты и рибосомы для транскрипции ДНК и синтеза белков.

Генетические системы органелл составляют одну из фундаментальных особенностей всех эукариот. Поэтому при работе с такими организмами приходится иметь дело с более сложной ситуацией, чем это казалось раньше, поскольку в клетке взаимодействуют различные генетические системы, по меньшей мере, две – у животных и три – у растений. И прежде, чем приступить к анализу взаимодействия между этими системами, очевидно, необходимо понять свойства каждой из них в отдельности.

Цитоплазматические днк

Цитоплазматические ДНК хлоропластов и митохондрий, экстрагированные из выделенных органелл, были впервые охарактеризованы как двухцепочечные ДНК с высокой молекулярной массой и своеобразным составом оснований. Различия в нуклеотидном составе между ядерными и цитоплазматическими ДНК из одних и тех же клеток позволили сравнительно легко разделить их, а также послужили первым указанием на возможное различие в генетических функциях этих двух категорий ДНК. В целом митохондриальные и хлоропластные ДНК составляют от 1 до 10% всей общей ДНК клетки. Но в листьях высших растений и очень крупных яйцах, напр., амфибий, доля ДНК органелл может достигать 99% всей ДНК клетки.

Митохондриальные ДНК представлены кольцевой, редко – линейной, формой со средней молекулярной массой около 1х10 ⁷Да, поэтому она может кодировать около 30 белков, рРНК и тРНК. Геном митохондрий человека содержит ок. 16,5 тысячи п.н. Он представлен одной кольцевой молекулой ДНК, которую можно разделить на так называемые Тяжелую Н (heavy) и легкуюL(light) цепи, поскольку они различаются по плавучей плотности.

Геном митохондрий человека кодирует 13 белков, 22 вида тРНК для переноса всех аминокислот, две рРНК.

В геноме митохондрий человека почти нет свободных участков для регуляторных последовательностей, поэтому можно думать, что регуляция деятельности митохондрий у человека может быть связана с функционированием ядерного генома. Наибольшее разнообразие типов митохДНК характерно для популяций негроидной расы. Филогенетический анализ свидетельствует об африканском происхождении современного человека.

У растений геном митохондрий чрезвычайно разнообразен и в десятки раз больше, чем у человека.

Молекулы хлоропластных ДНК значительно крупнее и их молекулярная масса достигает величин (1-4)х10 ⁹Да. Показано, что хлоропластная ДНК обладает избыточностью повторяющейся информации, и количество фактической информации оценивается молекулярной массой около (1-2)х10⁸Да, что составляет примерно 130-160 тыс.п.н. Но и этого количества достаточно для кодировки нескольких десятков белков. Всего здесь содержится 130 генов, кодирующих тРНК (ок. 30 видов), рРНК, ферменты и белки.

К особенностям ДНК органелл относится также то, что в отличие от ядерных ДНК, содержащих примерно 6% 5-метилоцитозина, хлоропластная ДНК метилированных оснований не содержит.

Генетический анализ цитоплазматических систем

Формальная кинетика цитоплазматических систем берёт своё начало с работ К.Корренса и Э.Баура, осуществивших исследования на растениях энотеры и кипрея (эпилобиум). Однако значительный прогресс был достигнут только с появлением удобного объекта исследования, каковым оказалась водоросль Chlamydomonas, размножающаяся половым способом. Кроме того, её можно выращивать как на свету, так и в темноте.

Главными классическими критериями для выявления цитоплазматических генов служили:

• различия в результатах реципрокных скрещиваний;

• неменделевское соотношение в потомстве;

• часто наблюдаемое соматическое расщепление при вегетативном или клональном росте;

• «инфекционность» признаков при пересадке мицелия у грибов;

• независимое распределение ядерных и цитоплазматических генов в соответствующих состемах, напр., гетерокарионах.

В одном из первых экспериментов с Chlamydomonasбыл обнаружен её цитоплазматический мутант, обладавший высокой устойчивостью к антибиотику стрептомицину. Было установлено, что тип наследования этого признака очень похож на классическое материнское наследование у высших растений, связанное с цитоплазматическими генами.

У высших растений материнскую наследственность объясняли неравенством в количестве цитоплазмы, вносимой родительскими гаметами при образовании зиготы. Однако у Chlamydomonasreinhardtiiколичество вносимой цитоплазмы в зиготу обеими половыми клетками – одинаково, т.е. при оплодотворении происходит слияние двух одинаковых гамет (изогамет).

Механизм материнской наследственности у Chlamydomonasне позволял использовать ни анализ рекомбинаций, ни обычные методы построения генетических карт. Поэтому преодоление такого препятствия имело фундаментальное значение для анализа внеядерных систем.

В одном из экспериментов клетки этих грибов были обработаны ультрафиолетом, после чего цитоплазматические гены обеих изогамет стали сохраняться в образующейся зиготе, т.е. механизм материнской наследственности был заменён обычным слиянием двух гамет с сохранением свойств обеих цитоплазм. В клонах клеток гриба при вегетативном размножении стали происходить рекомбинации, которые позволили использовать их для целей генетического анализа цитоплазматических систем.

Гаметогенез и половой цикл у Chlamydomonasможет быть представлен в виде простой схемы:

РИСУНОК

Она показывает, что у хламидомонады в жизненном цикле преобладает гаметофит с гаплоидным набором хромосом. В исследовании по генетике цитоплазмы было установлено следующее:

1. возможность экспериментального получения цитоплазматических мутантов;

2. наличие фенотипических проявлений цитоплазматических мутаций;

3. существуют разные типы расщепления по отдельным парам генов;

4. обнаружена цитоплазматическая группа сцепления генов, контролирующих рост, фотосинтетическую способность и устойчивость к антибиотикам;

5. выявлены особенности рекомбинаций сцепленных генов, что позволило провести их картирование.

Таким образом, впервые удалось исследовать хлоропластные цитоплазматические гены.