Лекция 1. Генетика и ее место среди естественных наук.

План: 1. Предмет и методы генетики.

2. Этапы развития генетики. Связь генетики с другими науками.

3. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии генетики.

4. Достижения и актуальные вопросы генетики.

1.Предмет и методы генетики. Генетика - наука о наследственности и изменчивости органических форм: животных, растений, микроорганизмов, вирусов, плазмид.

Латинское слово -geneo - рождаю, genus - род, т.е. наука о передаче особенностей, признаков родителей - детям, предков - потомкам.

Для зооинженеров и ветеринарных врачей, посвятивших себя работе с животными, необходимо знать закономерности наследственности и изменчивости, которые изучает генетика, поэтому именно генетика лежит в основе теории и практики селекции, профилактики и повышению устойчивости животных к болезням.

Эволюционный процесс по Ч.Дарвину обусловлен: изменчивостью, наследственностью, естественным отбором, ....

Генетика изучает наследственность и изменчивость. Подробно отбор изучается по курсу разведения с.х. животных.

Для действия отбора необходимы различия между видами... изменчивость, т.е. изменчивость поставляет материал для естественного отбора, отбор оставляет наиболее приспособленные формы, а наследственность закрепляет признаки и свойства вида.

Наследственность: истинная (ядерная), ложная, треходная.

Под наследственностью понимают свойства живых существ передавать свои признаки и свойства потомству.

Наследственность - это присущее всем живым существам свойства воспроизведения в потомстве признаков родителей и более отдаленных предков обеспечивающем преемственность поколений и сохранения характерных для данного вида особенностей строения.

Наследственность - свойство клеток запоминать (консервировать) ту информацию, которая необходима для воспроизведения строения, обмена веществ и взаимодействия с внешней средой по образу и подобию своих предшественников.

Истинная наследственность связана с действием собственных генов организма (ядра, органелл), поэтому сюда же относится цитоплазматическая , материнская, нехромосомная, внеядерная, экстрахромосомная, не менделееское наследование.

Ложная наследственность - проявление у потомков признаков и свойств, которые обусловлены действием возбудителей болезней, симбионтов или тех или иных экзогенных веществ клетки (медленно текущие инфекции, зеленые гусеницы, желток яиц...)

Болезнь - это комплекс взаимодействия генов хозяина в ответ на активность возбудителя, возможность накопления веществ клеткой, поступивших из вне зависит от характера действия собственных генов.

Переходная наследственность включает широкий круг явлений, которые трудно квалифицировать однозначно, поскольку они сочетают черты ложной и истинной наследственности.

Изменчивость - это различия между особями одного вида, предками и потомством, возникающие как под влиянием наследственности и изменения самого наследственного материала, так и под влиянием внешних условий. Она (и) создает материал для естественного и искусственного отбора и является одним из основных факторов эволюции.

Ч.Дарвин выделял: неопределенную (индивидуальную) и определенную (групповую) изменчивость.

Неопределенная изменчивость характеризуется: не массова, не адекватна, не приспособительная. Генетический механизм такой изменчивости - мутации и рекомбинации.

Мутационная изменчивость - внезапное появление у единичного организма новых признаков, которых не было у его предков в результате изменения генетического материала. Значение мутаций в эволюции велико. Домашние животные отличаются от одних предков в результате мутаций (норки 27 мутаций окраски).

Мутационная (и) сочетается с комбинативной (и) которая возникает при перераспределении наследственного материала родителей.

Рекомбинативная изменчивость - кроссинговер. Корреляционная или соотносительная. Онтогенетическая, ее часто относят к наследственной, однако она определяется генотипом, в ходе онтогенеза проявляются новые свойства генотипа, поэтому ее можно считать промежуточной.

Определенная (групповая) наследственность - все наоборот все особи в популяции изменяются в одну сторону, направленно, согласно вызвавшему их фактору. Такие изменения называют модификациями.

Модификации зависят и от наследственности. Животные культурных пород сильнее реагируют на не благоприятные условия внешней среды.

Более подвержены М.И. продуктивные признаки, меньше морфологические.

Пределы модификационной изменчивости нормы реакции, т.е. способность организмов (в пределах генотипов) реагировать и проявляется в конкретных условиях среды.

Мутации и рекомбинации основа эволюции; модификации - результат эволюции.

Методы генетики: Генетика имеет свои методы исследований на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях:

1. Гибридологический

2. Генеалогический

3. Цитогенетический (хромосомы их строение, перестройки, функционирование)

4. Популяционно-статистический

5. Иммуногенетический

6. Онтогенетический

7. Рекомбинационный

8. Близнецовый

9. Мутационный

10. Леопосомный

11. Меделирования

0. Этапы развития генетики. Связь генетики с другими науками - выучить самостоятельно.

0. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии генетики - выучить самостоятельно.

0. Достижения и актуальные проблемы генетики.

Достижения генетики в конце  столетия огромны, благодаря генетической инженерии бурно развивается биотехнология.

Актуальными проблемами являются: решение продовольственной проблемы, охрана здоровья человека, животных, охрана среды обитания и сохранение целостности биосферы, этические проблемы генетики.

Продовольственная проблема. Проблема питания человека, особенно обеспечение полноценным белком. Примеры...

Пути: 1. Создание высокопродуктивных пород животных и сортов растений.

2. Использование достижений биотехнологии в производстве пищевого белка, витаминов и др.

Охрана здоровья. Различают генетическое здоровье и физическое здоровье.

Генетическое здоровье. Влияние антропогенных факторов (мутации, наследственные аномалии, болезни).

Физическое здоровье. Феногенетика (комплекс условий для нормального развития (кормление, содержание, реакции на стресс, отбор, подбор, устойчивость к болезням).

Сохранение биосферы: 1) Сохранение исчезающих видов; 2) Генетические меры по снижению загрязнений внешней среды; 3) Индуцированный мутагенез (микроорганизмы в промышленном производстве для эффективной очистки воды, почвы, вредных выбросов).

Этические проблемы генетики, связанные с достижением генетической инженерии (рекомбинантные ДНК, трансгенные организмы, химеры, клонирование, эффект франкенштейна).

Контрольные вопросы:

1. Что является предметом генетики?

2. Назовите методы генетики.

3. С какими науками связана генетика.

4. Назовите отечественных ученых - генетиков и их вклад в развитие генетики.

5. Назовите зарубежных основоположников генетики.

6. Что такое наследственность, виды наследственности?

7. Что такое изменчивость, виды изменчивости?

8. Значение генетики в решении продовольственной проблемы.

9. Значение генетики в охране здоровья животных.

10. Значение генетики в сохранении биосферы. Этические проблемы генетики.

Лекция № 2

Тема: Цитологические основы наследственности.

Вопросы:

1. Краткая история вопроса

2. Клеточный цикл

3. Строение хромосом. Кариотипы.

4. Оплодотворение, избирательность оплодотворения.

Развитие клеточной теории во второй половине XIX века создало предпосылку для признания законов Менделя. Именно клеточная теория обосновала роль ядра в наследственности.

В 1855 году Р. Вирхов выдвинул фундаментальное положение Omnis Cellula e Cellulae -всякая клетка от клетки, т.е. положение о самовоспроизведении клетки.

Началось детальное изучение процесса клеточного деления, или митоза \ В. Флеминг \.

В. Флеминг обнаружил, что при митозе хромосомы делятся вдоль, а Е. Ван. Бенеден 1883 г. обратил внимание на то, что дочерние хромосомы до мельчайших подробностей повторяют строение материнской хромосомы.

Термин хромосома был введен в 1883 г. В. Вальдейером.

В 1884 г. Э. Страсбургер выделил такие стадии митоза как профаза и метафаза. Именно в этот период сформировалась ядерная гипотеза наследственности - В. Ру, 1883, Э. Страсбургер, 1884 г.

Считается, что цитогенетика как наука начала обосабливаться с 1896 г. после выхода в свет работы Э. Вильсона « Клетка в развитии и наследственности».

За прошедший период цитология добилась значительных успехов, в ней используются методы других смежных наук. В генетике цитологический метод широко используется для непосредственного изучения клеточных структур – носителей наследственной информации « ядро, органеллы цитоплазмы. Участки хромосомы, где происходит синтез рРНК, ядерных белков- гистонов называются организаторами ядрышка. Число их неодинаково. У свиней организаторы ядрышка найдены на 8 и 10 хромосомах. Ядрышкообразующие районы связаны у свиней с болезнями - нарушением координации движений, прогрессирующей атаксией».

2 Клеточный цикл

Существование клетки от деления до деления или смерти - жизненный цикл клетки. У одноклеточных жизненный цикл совпадает с жизнью особи. У многоклеточных жизненный цикл состоит из 4 периодов. Первые три - интерфаза:G1- пресинтетический или постмитотический от англ. –grow (grou)- расти. В эту фазу происходит активный рост и функционирование клеток, обусловленные возобновлением транскрипции и накоплением синтезированных белков а так же подготовка к синтезу Д Н К.

В S-(synthesis) фазе происходит репликация Д Н К и удвоение материала хромосом

В G2 фазе осуществляется подготовка клеток к делению, в т. ч. синтез белков веретена деления. В результате заключительного этапа клеточного цикла – митоза редуплицированные хромосомы расходятся в дочерние клетки.

Продолжительность клеточного цикла от 10 до 50 часов и зависит от типа клеток, их возраста, гормонального баланса организма, количества Д Н К в ядре, температуры, времени суток и др. факторов.

Наиболее вариабельны G1 и G2 фазы, они могут значительно удлиняться в особенности у так называемых покоящихся клеток, в этом случае выделяют G0 период (от англ. Gap - промежуток, интервал) или период покоя. С учетом этого периода клеточный цикл может длиться недели, месяцы (у клеток печени), а у нейронов к. ц. равен продолжительности жизни организма.

Для клеток млекопитающих в культуре ткани G1 =10; S=9; G2=4; митоз- 1 час, всего 24 часа. Набор хромосом в G1-диплоидный, S- тетраплоидный обратимый, G2- диплоидный, а затем митоз.

Передача наследственной информации в процессе деления клеток и при оплодотворении:

Митоз представляет собой способ упорядоченного деления клетки, при котором каждая из двух дочерних клеток получает такое же число и те же типы хромосом, какие имела материнская клетка. Митотическое деление представляет собой непрерывный процесс, каждая стадия которого незаметно переходит из одной в другую. Для удобства принято подразделять митоз на четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза: Происходит формирование хромосом. За счет спирализации длина хромосом уменьшается примерно в 25 раз, разрушается ядрышко, ядрышковое вещество участвует в образовании веретена деления. Центросома делится на дочерние центриоли между которыми формируются нити веретена деления. Ядерная оболочка разрушается.

Метафаза: короткий промежуток времени, в течение которого хромосомы находятся в плоскости экватора. Центромера делится, и хроматиды превращаются в две совершенно обособленные дочерние хромосомы.

Анафаза: деление центромер происходит одновременно во всех хромосомах. Выстроившись вдоль экватора, хромосомы тотчас же начинают расходиться, причем каждая сестринская хроматида отходит к одному из полюсов. Природа механизма заставляющего хромосомы двигаться к полюсам, пока неизвестна.

Телофаза начинается с момента достижения хромосомами полюсов происходит их деспирализация. Вокруг каждого дочернего ядра образуется ядерная оболочка. После деления клетки происходит синтез ДНК, формируется вторая хроматида. Что приводит к удвоению хромосом.

Генетическая сущность митоза заключается в равномерном распределении генетического материала материнской клетки между дочерними клетками. Генетическая изменчивость не меняется. Изменчивость может измениться при воздействии соматических мутаций или соматического кроссинговера.

Патология митоза: задержка митоза в профазе, нарушение спирализации деспирализации хромосом, раннее расделение хроматид, фрагментация или пульверизация хромосом, задержка митоза в метафазе

Причины: воздействие химических веществ, радиации, вирусных инфекций. Например, при чуме у свиней наблюдается пульверизация и фрагментация хромосом.

Мейоз: постоянство числа хромосом в последовательных поколениях обеспечивается процессом мейоза. Мейоз( от греч. Meiosis – уменьшение ) по существу состоит из двух клеточных делений при которых число хромосом уменьшается в двое, так что гаметы получают вдвое меньше хромосом чем соматические клетки. Диплоидное число хромосом восстанавливается при оплодотворении. Уменьшение числа хромосом происходит не беспорядочно, а закономерно, путем попарного соединения гомологичных хромосом и последующего расхождения членов пары к одному из полюсов.

Процесс мейоза заключается в двух, следующих одно за другим клеточных делениях, называемых соответственно первым или редукционным и вторым –эквационным. Репликация хромосом происходит в период S фазы интерфазы. В редукционном делении уменьшается вдвое число хромосом и центромер, однако, каждая центромера прикреплена к дуплицированной хромосоме. Во втором мейотическом делении центромеры делятся, а каждая дуплицированная хромосома превращается в пару самостоятельных хромосом. В каждом мейотическом делении различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу как в митозе.

Профаза первого мейотического деления наиболее продолжительная и делится на несколько стадий…

В стадии зигонемы (соединение нитей) тонкие нити конъюгируют друг с другом (синапсис) Конъюгация отличается высокой точностью. Образуются биваленты.

Стадия пахинемы (толстые нити) происходит кроссинговер.

Стадия диплонемы или стадия четырех хроматид. Каждая из гомологичных хромосом бивалента расщепляется на две хроматиды, которые полностью не разъединяются. Места соединения хроматид называются хиазмами, которые удерживают моноваленты вместе. Завершается обмен гомологичными участками хромосом.

Стадия диакинеза характеризуется максимальным укорочением диплотенных хромосом. Биваленты отходят к периферии ядра, легко подсчитываются. На этом завершается профаза 1.

В метафазе 1 исчезает ядерная оболочка, биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки, формируется веретено деления.

В анафазе 1 гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам в отличие от митоза к полюсам отходят хромосомы, состоящие из двух хроматид, именно в анафазе происходит редукция – сокращение хромосом

Телофаза 1 весьма кратковременна, слабо обособлена от анафазы, образуются два дочерних ядра. Её нередко рассматривают как состояние покоя между двумя делениями мейоза-интеркинез.

Второе деление мейоза – эквационное происходит в обоих дочерних ядрах, так же как и в митозе. Образовавшиеся четыре клетки имеют гаплоидный набор хромосом

Патология мейоза. Основная причина – нерасхождение хромосом: первичное, анафаза 1 – нарушается разделение бивалентов и обе хромосомы из пары аналогов не переходят в одну клетку (п. 1) и недостатку в другой (п – 1)

Вторичное – возникает в гаметах у особей с избытком (трисомией) одной хромосомы в результате образуются и биваленты и униваленты.

Третичное – у особей со структурной перестройкой хромосом ( транслокации)

Биологическая роль мейоза: Механизм поддержания видового постоянства числа хромосом, обеспечивает генетическую разнородность гамет благодаря случайной комбинации материнских и отцовских хромосом, вызывает образование хромосом нового генетического состава благодаря кроссинговеру, что приводит к изменению наследственной изменчивости.

Гаметогенез. Гаметы у животных образуются в особых органах – гонадах. Диплоидные клетки, из которых образуются гаметы, называют оогониями и сперматогониями. Их быстрое размножение путем митоза приводит к образованию огромного количества клеток. Клетки растут, причем ооциты 1 порядка достигают значительно больших размеров, чем сперматоциты 1 порядка. Затем одно за другим происходят два деления созревания: сначала редукционное, а затем эквационное в результате образуются сперматоциты и ооциты 11 порядка. В результате делений созревания образуются четыре гаплоидных клетки. Сперматиды – одинаковы по размерам, а у особей женского пола продукты деления созревания неравноценны: ооцит первого порядка, отделяя направительное тельце (полярное), превращается в ооцит второго порядка а тот, в свою очередь, отделяет еще одно полярное тельце и становится крупным, богатым цитоплазмой зрелым яйцом. Образовавшиеся полярные тельца в дальнейшем развитии не участвуют

Строение хромосом, кариотипы.

Морфологию хромосом, как правило, описывают на стадии метафазы или анафазы, когда они лучше всего видны в клетке. Хромосомы состоят из хроматина, который содержит Д Н К (40 %), гистоны (40 %), не гистоновые хромосомные белки (20 %) и не большое количество Р Н К.

Гистоны – хромосомные основные белки с высоким содержанием аргинина и лизина. Гистоны прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней наследственной информации. В этом состоит их регуляторная роль. Они выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах.

Негистоновые хромосомные белки главным образом кислотные белки. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации репарации ДНК.

Гистоны и ДНК объединены в структуру, которая называется хроматиновой нитью (хроматида), которая представляет собой двойную спиральДНК, окружающую гистоновый стержень. Каким именно образом двойная спираль располагается вокруг гистонов, пока не ясно.

В определении формы хромосом большое значение имеет положение ее обязательного элемента – центромеры, которая делит хромосому на две части (плечи). В зависимости от положения центромеры различают: метацентрические ( равноплечие ), субметацентрические (неравноплечие ), акроцентрические – центромера расположена очень близко к одному из концов хромосомы, телоцентрические –центромера расположена на самом конце хромосомы (одноплечие ). При описании хромосом короткое плечо обозначают буквой p, а длинное - g . Объективным критерием для отнесения хромосом к той или иной группе служит центромерный индекс – отношение длины короткого плеча к длине хромосомы в процентах. У акроцентрических хромосом центромерный индекс менее-12,5 %, субметацентрических от12,6до 37, метацентрических – от 37,6 до 50 %. К морфологической характеристике относят наличие у хромосом вторичных перетяжек, соответствующих зонам ядрышковых организаторов. В таких вторичных перетяжках локализуются гены, ответственные за синтез рРНК. Синтез и созревание рРНК происходит в ядрышках. Цетромера имеет сложное строение, в ней находится ДНК с характерной последовательностью нуклеотидов. Хромосомы обычно имеют одну центромеру. Её потеря производит к нарушению подвижности и потере хромосомы. Известны виды с полицентрическими хромосомами, с так называемой диффузной центромерой. У этих видов даже фрагменты разорванных хромосом благополучно расходятся к полюсам.

Теломеры или концевые участки хромосом в значительной мере ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований, они препятствуют слипанию хромосом.

Хромосомы идентифицируют по ряду дополнительных признаков – спутникам (сателлитам), различным методам дифференциальной окраски, выделяя более темные (гетерохроматиновые) и более светлые (эухроматиновые) участки. В гетерохроматиновых участках хромосомы более спирализованы чем в эухроматиновых. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны. Характер распределения эухроматиновых и гетерохроматиновых участков постоянен для каждой хромосомы.

Кариотипы. В 1924 г. Г. А. Левитский создал учение о кариотипах согласно которому клетки каждому виду организмов характеризуются наличием определенной и постоянной совокупности индивидуализированных хромосом. Кариотип – набор хромосом соматической клетки, свойственный тому или иному виду животных или растений. Зигота содержит диплоидный набор хромосом, одинарный набор хромосом – геном.

Кариограмма – фотографии хромосом организма, систематизированные по группам в зависимости от морфологического строения.

Идиограмма – графическое изображение хромосом с учетом их морфологических деталей.

Число хромосом в кариотипе не зависит от уровня организации животных и растений ( lim 2 – 1200).

Оплодотворение и избирательность оплодотворения изучить самостоятельно.

Контрольные вопросы: 1. Назовите органоиды клетки и их основные функции. 2. Дайте характеристику фазам митоза и в чем его биологическая сущность? 3. Назовите фазы мейоза и в чем его биологическая сущность? 4. Строение и типы хромосом. 5. Что такое клеточный цикл? 6. Что такое кариотип? 7. В чем основные различия между сперматогенезом и оогенезом? 8. В чем сущность избирательности оплодотворения?

Лекция 3.

Тема: Наследование признаков при половом размножении

Вопросы: 1. Менделизм – основа генетики 2. Аллельность, понятие о множественном аллелизме. 3. Моногибридное скрещивание, виды доминирования. 4. Ди, полигибридное скрещивание. Правила Г. Менделя. 5. Плейотропное действие генов.

Впервые идею о существовании наследственных факторов и характера наследования отдельных признаков и свойств организма сформулировал Г. Мендель в своих опытах над растительными гибридами в 1965 году. Ему удалось установить принцип расщепления благодаря тому, что он упростил условия своих экспериментов таким образом, что в определенный момент имел дело с деталью явления. Исследователи до него терпели неудачу потому, что они работали с целым комплексом признаков и не пытались проанализировать результаты своих экспериментов количественно: подсчитать соотношение классов среди гибридов различных поколений.

Предусмотрительность Г. Менделя в создании условий опыта и его проницательность при толковании полученных данных, по словам Т. Моргана, обусловило его замечательные достижения. Главное достижение Г. Менделя в том, что он сформулировал и применил принципы гибридологического анализа для проверки конкретной гипотезы – гипотезы о наследственной передаче дискретных факторов.

Основные принципы гибридологического анализа:

- использование в качестве исходных форм для скрещивания растений, отличающихся друг от друга сравнительно небольшим количеством контрастных признаков и тщательный учет характера наследования каждого из них;

- точный количественный учет гибридных растений, различающихся по отдельным признакам, в ряде последовательных поколений;

- индивидуальный анализ потомства от каждого растения вряде последовательных поколений;

- недопустимость влияния чужеродного генетического материала на родительские расы и гибриды; - сохранение способности к размножению у гибридов и их потомства;

Аллельность, понятие о множественном аллелизме. Изучая наследственные признаки растений Г. Мендель одну категорию признаков назвал доминирующими – господствующими, другую рецессивными, т. е. уступающими, подавляемыми. Способ наследования любого признака можно определить и изучить лишь в том случае, если мы имеем два контрастных его состояния. Такие контрастные состояния признаков называются аллеломорфами или аллелями. Термины « ген» и «аллель» часто употребляют как синонимы, но аллелем обозначают определенную (структурную) форму состояния гена. По Иогансену, аллель – формы состояния гена, вызывающие фенотипические различия, но локализованные на гомологичных участках гомологичных хромосом, следовательно, в диплоидных клетках организма постоянно имеется пара аллелей – по одному партнеру в каждой из двух гомологичных хромосом диплоидного набора: АА- гомозиготный доминантный, Аа – гетерозиготный, аа – гомозиготный рецессивный. Обычно для определённого локуса известны лишь два аллеля, выражающие при гетерозиготности контрастируюшие признаки, но бывают случаи, когда данный локус встречается в целом ряде различных состояний, т. е. имеем дело с множественным состоянием гена, или множественными аллелями. Это результат мутаций. Мутации одного и того же гена могут возникать несколько раз, так что изменения могут быть весьма различными. Образуется серия аллелей и, соответственно серия аллеломорфных признаков. Это множественный аллеломорфизм. Для него характерно влияние всех аллелей на один и тот же признак, отличие между ними сводится к степени развития признака. Вторая особенность - в клетках диплоидных организмов содержится максимально два аллеля из нескольких. Создается ряд, в котором нормальный, т. е. неизмененный признак доминирует над всеми последующими. При кодоминировании у гетерозиготной особи все они равнозначны, т.е. будут выражены оба аллеломорфных признака.

Значение множественного аллелизма:

- усиливает комбинативную изменчивость, осбенно генотипическую;

-коммерческое – разный окрас у пушных зверей;

- на молекулярном уровне – группы крови, биохимический полиморфизм белков и ферментов

Множественный аллелизм характеризует изменчивость одного гена, а не ряда генов

3.0 Моногибридное скрещивание, виды доминирования

Проведя моногибридное скрещивание Г. Мендель установил следующие закономерности наследования признаков:

- у гибридов первого поколения проявляется только один из пары альтернативных признаков- доминантный, рецессивный нет.

-у гибридов второго поколения появляются особи как с доминантным так и с рецессивным признаком ( закон расщепления ) в соотношении 1 : 2 :1 по генотипу и 3 : 1 по фенотипу. Следовательно, среди потомков второго поколения половина гибридов а половина «чистых». У потомков первого поколения рецессивный аллель хотя и не проявляется, но и не смешивается с доминантным аллелем, а во втором поколении вновь проявляется в чистом виде. Это явление называют законом чистоты гамет или законом независимого наследования аллелей.

Виды доминирования: полное, неполное, кодоминирование, сверхдоминирование, доминирование обусловленное полом.

0. Ди и полигибридное скрещивание . Скрещивание особей различающихся по двум парам альтернативных признаков называется дигибридным. Анализ дигибридного скрещивания показывает, что у гибридов первого поколения, как и при моногибридном скрещивании, наблюдается единообразие в развитии по каждому из признаков. При скрещивании дигетерозигот между собой в F2 получают 16 генотипов, так как каждая особь образует 4 типа гамет. Анализ гибридов F2 показывает, что получается 9 генотипических классов, 4 фенотипа, расщепление 9АВ : 3Ав :3Ва : 1ав. На основании анализа Г. Мендель пришел к выводу, что факторы А и В у гибридов АаВв, при образовании половых клеток, распределяются между собой совершенно независимо друг от друга идают сочетания с одинаковой частотой, что подтверждает третий закон – закон чистоты гамет.

При полигибридных скрещиваниях алгебраическое выражение расщепления может быть представлено: Р. ААВВССДД х ааввссдд. В F1 АаВвСсДд. В F2 ( А + а)2 ( В +в)2 ( С+с)2 (Д + д)2

Согласно формуле, если число пар признаков, которыми отличаются исходные формы равно п, то для F2 число особей равно 4п, число разных генотипических классов равно 3п, число фенотипов 2п, число сортов гамет у гетерозигот 2п.

Правила Г. Менделя:

-единообразие первого поколения

-правило ( закон расщепления )

- независимое наследование аллелей или правило чистоты гамет

5.0 Плейотропное действие генов, летальные гены

Плеотропия – явление, которое проявляется при действии одного гена на развитие нескольких признаков по разному. Французский зоолог Кено обнаружил , что при скрещивании между собой жёлтых мышей окрас не закреплялся в потомстве, а всегда дает расщепление 2: 1. Анализирующее скрещивание даёт расщепление 1 : 1. Так впервые было установлено, что ген в гомозиготном состоянии может быть летальным, по этому гомозиготы погибают на ранних стадиях развития. Это явление обнаружено:

- каракульские овцы ( серая расцветка ), линейные и чешуйчатые карпы, платиновые лисицы, фактор Мерля у догов, « Дункер» у норвежских гончих. Крапчатость сопровождается микрофтальмией, глаукомой, слепотой, глухотой, аномалиями половой системы, голубым цветом глаз. Белый окрас у кошек сопровощдается голубыми глазами и глухотой.

При искусственном осеменении вероятность распространения летальных генов велика: шведский голштинский бык Принц Адольф – бесшерстность, бык айрширской породы Данлот Талисман – гидроцефалия. Сами по себе летальные гены не элиминируются. Поэтому наличие летальных генов в популяции зависит не только от вида,сколько от степени его изученности, количества и ценности потомков.

Контрольные вопросы: В чём основные заслуги Г. Менделя?. Перечислите основные положения гибридологического анализа. Что означают следующие термины: доминирование, рецессивность, аллель генотип, фенотип, гомозиготность, гетерозиготность. В чём сущность множественного аллелизма?Перечислите виды доминирования. Назовите 3 правила Г. Менделя

Лекция 4

Тема: Наследование признаков при взаимодействии неаллельных генов.

Вопросы: 1 Понятие о неаллельных генах. 2 Взаимодействие неаллельных

генов ( комплементарное, эпистаз, полимерия, дупликатные гены, гены модификаторы). 3 Наследственность и среда, Экспрессивность и пенетрантность генов.

1. Понятие о неаллельных генах. Изучая законы наследования Г. Мендель опирался на наблюдения о независимом наследовании отдельных признаков. На основании этого был сделан вывод, что организм развивается как мозаика из-за наличия связи один ген – один признак. В дальнейшем это положение было пересмотрено. Между генами в процессе развития особи были обнаружены сложные взаимодействия- это главное что характеризует функционирование генов. Иногда на один и тот же признак влияют две или несколько пар неаллельных генов, т. е. генов занимающих определенный локус в негомологичных хромосомах. Формирование признака в этом случае зависит от характера их взаимодействия. Различают несколько видов взаимодействия неаллельных генов:

Комплементарное действие генов. Это совместное, дополняющее друг друга действие двух или большего числа генов на развитие признака. К комплементарным или дополнительным относят такие гены, которые при совместном действии ( А + В ) обуславливают развитие нового признака, а в отдельности воспроизводят признак одного из родителей.Известно,что для развития окраски необходимо наличие белков и ферментов, обуславливающих превращения их в пигмент. Если одного из веществ нет, то пигмент не образуется. Впервые. При скрещивании двух рас душистого горошка с белыми цветками в F1 все цветки пурпурные, в F2 расщепление-9 пурпурных и 7 белых. НОВООБРАЗОВАНИЕ такой тип взаимодействия генов когда при их сочетании в одном организме развивается совершенно новая форма признака. При скрещивании кур с розовидным ( RRcc ) гребнем со стручковидным ( rrCC) в F1 все потомки имеют ореховидный ( RrCc ) гребень. В F2 расщепление 9- ореховидных, 3 розовидных, 3 стручковидных и 1 листовидный.

ЭПИСТАЗ и ГИПОСТАЗ тип взаимодействия генов при котором признак вызываемый доминантным геном одной пары прикрывает признак развивающйся под влиянием другой их пары. Ген подавитель- супрессор или эпистатичный ген. Подавляемый ген называется гипостатичным. От обычного доминирования эпистаз отличается тем, что в первом случае (А >а ) одна пара аллелей, а при эпистазе ( А> B ), т. е. противоположно комплементарному действию. Различают доминантный и рецессивный эпистаз. При доминантном эпистазе при скрещивании в F1 серых лошадей между собой в F2 получается расщепление 12 серых, 3 вороных и 1 рыжая. При скрещивании белых леггорнов (CCJJ) с белыми плимутроками (ccjj ) в F1 все потомки белые, а в F2 идет расщепление 13 белых ( 12 содержат ген « А» и 1 гомозиготный по аллелю « в» ) и 3 окрашенных (чёрные потому, что в их генотипе ( а В ) нет эпистатического гена « А» ). Наряду с доминантным эпистазом существует рецессивный эпистаз (криптомерия ). Явление криптомерии возникает в тех случаях, когда рецессивный ген скрывает действие доминантного неаллельного гена. Этот тип наследования хорошо изучен на примерах рецессивных аллелях альбинизма. Скрещивание чёрных мышей (ССаа) с альбиносами ( ссАА) дает окраску агути. Окраска агути обязана наличию двух пигментов. В отдельном волоске основная часть его чёрная, а узкая верхушечная часть его занята жёлтым кольцом. В случае мутации кольца жёлтого пигмента изчезают и в результате развивается чёрная окраска. Эта мутация рецессивна по отношению к агути. При скрещивании дигетерозиготных мышей агути из F1 в F2 получаются 3 фенотипических группы в соотношении 9 агути, 3 чёрных и 4 альбиноса. В этом случае генотипы ССаа, Ссаа, Ссаа имеют чёрную окраску, а генотипы ссАА, ссАа, ссАа, ссаа – белую окраску. Вданном случае криптомерное состояние гена А под покровом действия гена « с» приводит к появлению атавизма.

ПОЛИМЕРИЯ – тип взаимодействия генов, при котором на развитие признака влияют несколько разных но одинаково действующих генов В рассмотренных ранее типах взаимодействия генов мы касались альтернативных, т.е. качественно различающихся признаков. Селекционерам приходится иметь дело с признаками,которые не всегда можно разложить на чёткие фенотипические классы,поэтому их необходимо выражать количественно, т.е. измерять, взвешивать, подсчитывать. В селекции выделяют две группы признаков: качественные количественные. КАЧЕСТВЕННЫЕ- признаки, развитие которых контролируется одним или несколькими генами, выявить которые можно гибридологическим анализом. Изменчивость их дискретная, наследуются они по правилам Менделя. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ –признаки, развитие которых контролируется многими разными, но одинаково действующими генами, причём каждый из них усиливает развитие признака. Изменчивость их плавная, изучаются они популяционно – статистическим анализом. Впервые полимерию установил Нильсон – Эле, скрещивая пшеницу с темноокрашенными зернами с белозерной. В F1 окраска семян носила промежуточный характер, в F2 вместо расщепления 9 : 3 : 3 : 1, он получил расщепление 1 : 4 : 6 :4 : 1. Если это расщепление перенести в систему координат мы получим кривую нормального распределения. При накоплении доминантных генов их действие усиливается (наличие 4 доминантных генов даёт самую сильную окраску семян), и чем их больше, тем больше амплитуда изменчивости. Если признак обусловлен 1 парой генов- 3 фенотипических класса, min число особей равно 4 со всеми возможными комбинациями аллелей, при 3-х, каждый тригибридный родитель образует 8 сортов гамет, число комбинаций 64 ( 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1), чтобы проявились все сочетания необходимо иметь популяцию min из 64 осбей, т.е. каждый класс ( вариант ) генотипов составляет коэффицент бинома ( А + а)n, чем больше полимерных генов входят в генотип, тем плавне будет переход к нормальнгому распределению. Суммирующее действие генов называется аддитивным. Встречается не аддитивная полимерия. При скрещивании кур пород Лангшан х Плимутрок расщеплене 15 с перьями на плюсне и 1 без оперения.

Наследование количественных признаков включает не только аддитивное наследование, обусловленное взаимодействием неаллельных генов, но и эпистаз, аллельное, плейотропное действие генов и генный баланс. Не меньшее значение имеет взаимодействие генотипа и среды. Организм единое целое, в котором признаки связаны коррелятивно, что так же влияет на их развитие.

ДУПЛИКАТНЫЕ ГЕНЫ- это неаллельные доминантные гены, по отдельности и вместе одинаково влияющие на развитие признака, при этом расщепление идёт 15 : 1. Оперенная голень у кур под действием гена А и В и совместном АВ.

ГЕНЫ МОДИФИКАТОРЫ. Сложное взаимодействие генов при котором гены не обнаруживая фенотипического эффекта усиливают или ослабляют проявление других генов. У чёрно пестрого скота сплошная окраска ген «S», пегость рецессивный ген «s», размеры пегости зависят от генов модификаторов. У белоголовых герефордов с непегментированными веками глаз на солнце развивается рак глаз- это уже селекционное значение. Крайняя форма модификации – эпистаз.

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И СРЕДА, ЭКСПРЕССИВНОСТЬ И ПЕНЕТРАНТНОСТЬ ГЕНОВ. Весь процесс развития особи происходит под непрерывным регулирующим влиянием генотипа, а также условий среды, в которой находится растущий организм. Следовательно, свойства особи зависят от двух основных факторов – генотипа и среды. Внешние различия в развитии признака, которые зависят только от влияния среды называют модификациями. Типичные примеры модификаций наблюдаются постоянно, например, результат недокорма животных. Модификации приводят к значительной изменчивости, но они не наследуются. Не менее важна изменчивость,зависящая от от различий в генетической конституции- генотипе, которые связаны в основном с рекомбинацией генов. С помощью вегетативного размножения из одного растения можно получить большое количество одинаковых потомков в виде клона. Все потомки имеют одинаковый генотип, но при выращивании их в различных условиях среды появляется множество модификаций, однако, при возвращении потомков в прежнюю среду обитания все модификационные свойства исчезали и не проявлялись в последующих поколениях. Большой интерес в этом плане представляет изучение монозиготных близнецов, которые позволили генетикам ответить на вопрос осоотношении среды и генотипа на развитие особи. Задача исследователей состоит в установлении сходства ( конкордантности ) или несходства ( дисконкордантности) в парах близнецов. Установлено, что удельный вес генетической информации в развитии особи очень велик. Поражая своим физическим сходством, они по разному реагируют на влияние условий внешней среды. Возникновение у животных инфекционных заболеваний определяется средой, однако, степень наследственной предрасположенности играет роль при любом заболевании. Наследование рисунка окраса у гималйских кроликов требует строгого соотношения генотипа с условиями среды. Чёрные волосы растут на участках кожи с пониженной температурой, т. е. где ухудшено кровообращение. Наследуется не рисунок гималайского кролика как таковой, а способность в зависимости от температурных условий к образованию пигмента. Способность противостоять колеблющимся условиям среды путем адаптивного реагирования организмов получила название физиологического гомеостаза.

Все перечисленное указывает на глубокие различия между признаком особи и геном. Признаки как таковые не наследуются, они развиваются лишь на основе взаимодействия генотипа со средой. Наследуется комплекс генов, который определяет норму реакции организма, изменяющую проявление и выражение признаков в разных условиях среды . Степень фенотипического проявления гена как мера силы его действия, определяемая по степени развития самого признака называется ЭКСПРЕССИВНОСТЬЮ. Классическим примером экспрессивности и различного фенотипического проявления гена может служить окрас меха у кролика, определяемый серией множестенных аллелей гена « С». Важное значение для характера проявления генов имеют наличие и активность генов модификаторов, опеделяющих степень экспрессивности генов в зависимости от специфических условий среды. Один и тот же признак может проявится или не проявится у особей родственных групп. Это явление называется пенетрантностью, Пенетрантность определяется по проценту особей в популяции, у которых данный ген проявился, т. е пенетрантность бывает полной и не полной. Например, у мышей мутация изогнутости хвоста « поросячий хвост» имеет пенетрантность 16,7%.

Контрольые вопросы: 1. Что такое неаллельные гены? 2. В чем сущность комплементарного взаимодействия генов? 3. Что такое эпистаз? 4. В чем различия между доминированием и эпистазом? 5 Что такое аддитивная полимерия? 6. В чём влияние наследственности и среды на свойства особи? 7. Дайте определения понятиям экспрессивность и пенетрантность генов.

Лекция 5

Хромосомная теория наследственности

Вопросы: 1. Сцепленное наследование признаков, группы сцепления. 2. Неполное сцепление, кроссинговер. 3.Хромосомная теория наследственности Т. Моргана. 4. Карты хромосом их использование в практике.

В 1902 г. В. Саттон ( США) и Т. Бовери ( Германия) независимо друг от друга предположили, что гены находятся в хромосомах. Эта идея положила начало хромосомной теории наследственности. Арументом в пользу такого предположения был параллелизм в поведении хромосом в процессе мейоза и оплодотворения, с одной стороны, и генов-с другой. Существование двух аллелей данного признака, один из которых наследуется от одного родителя, а другой от второго, соответствует существованию двух хромосом, каждая из которых приходит от одного из родителей.

Изучая дигибридное скрещивание выяснилось, что независимое комбинирование признаков объясняется тем,что расщепление одной пары аллельных генов, определяющих соответствующие признаки, происходит независимо от другой пары. Основу этого явления составляет механизм независимого распределения хромосом в мейозе, когда гены разных пар находятся в разных хромосомах, но количество хромосом ограничено, по сравнению с количеством признаков, каждый из которых находится под контролем определённых генов. У дрозофилы изучено более 1000 признаков, а хромосом всего 4 пары, у человека известно более 30 000 генов, а хромосом 23 пары. Естественно, что между генами, которые находятся в одной хромосоме должно быть сцепление и при образовании половых клеток они должны передаваться вместе. Следовательно, третий менделеевский закон касается хромосом, а не генов и действие его ограничено. Это впервые подтвердили В. Бетсон и Р. Пеннет скрещивая две расы душистого горошка, различающихся по окраске цветков и форме пыльцы: 1. Пурпурная окраска ( Р) и удлинённая форма пыльцы (L). 2. Красная окраска цветков (р) и округлая форма пыльцы (l). Генотипы родителей были (PPLL) и (ppll). В F1 все растения были с пурпурными цветками и удлинненой формой пыльцы (PpLl), а в F2, ожидаемого расщепления 9 :3 : 3 : 1 не получилось. Растений с генотипами (Pl) и ( pL) вместо по18,75%, получилось по 5,6% . Для объяснения этих явлений авторы предложили теорию « притяжения – отталкивания», которая была умозрительной и не могла объяснить материальных основ отклонения от 3 закона Мнделя и до 1910 г. наблюдавшиеся отклонения относили к редким случайным отклонениям.

Термин « сцепление генов» и объяснение его дал Томас Гент Морган (1866 - 1945). Сцепление генов – это совместное наследование генов, ограничивающее свободное их комбинирование. В качестве объекта исследований он со своими учениками ( А. Стертевантом, С. Бриджесом) использовал плодовую мушку дрозофилу ( Т. Морган просил денег у попечителей Колумбийского университета на кроликов для генетических исследований, они ему отказали. Скупость попечителей привела к тому, что Морган случайно выбрал классический объект для генетических исследований. Как потом оказалось в кариотипе у кролика 44хромосомы, а у дрозофилы всего 8.( дрозофила за один раз даёт до 100 потомков, в течении 12-15 дней, после оплодотворения, из яйца развивается личинка, куколка, взрослая особь, которая сразу же способна дать потомство. За 1 год можно получить 20 поколений). Т. Морган установил, что материальной основой сцепления является хромосома. Все гены, находящиеся в одной хромосоме, связаны между собой субстратом хромосомы,её организацией и поведением в мейозе. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом.

Как отличить сцепленное наследование от несцепленного,независимого комбинирования генов. Если два гена полностью сцеплены, то дигибрид будет давать два типа гамет ( АВ и ав), а при независимом комбинировании генов 4 типа. Следовательно, если две пары аллельных генов расположены в одной паре гомологичных хромосом, топри образовании половых клеток гены этих аллелей свободно комбинироваться не смогут, наблюдается сцепленное наследование.

ПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ. Т. Морган скрещивал чёрных длиннокрылых самок дрозофилы с серыми зачаточнокрылыми самцами. У дрозофилы серая окраска тела( В) доминирует над чёрной ( в), длинные крылья (V) над зачаточными (v). Указанные гены находятся в одной – второй паре хромосом. Всё потомство в F1 имело серое тело и длинные крылья и было гетерозиготно по обеим парам признаков (вV / Bv). Из F1 отобрали самцов- серых с нормальными крыльями (вV/ Вv) и скрестили с гомозиготными (вv/вv) самками, которые имели чёрное тело и зачаточные крылья, т. е. провели анализирующее скрещивание. При независимом наследовании признаков должно было получится расщепление 1:1:1:1 т. е. получить 4 фенотипа, но были получены потомки только двух фенотипов исходных родительских форм. В этом случае наблюдается сцепление генов, гендлинных крыльев и чёрной окраски тела находятся водной, а ген зачаточных крыльев и серого тела в другой гомологичной хромосоме Поетому при сочетании указанных гамет с гаметами особи с рецессивными признаками получается потомство двух типов. Полное сцепление пока установлено только у самцов дрозофилы и у самок тутового шелкопряда.

НЕПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ, КРОССИНГОВЕР. В другом варианте скрещивания Т. Морган взял из F1 гетерозиготных самок, имеющих длинные крылья и серое тело, и скрестил их с гомозиготными рецессивными самцами,имеющими чёрное тело и зачаточные крылья. В результате получил потомство не двухтипов как при полном сцеплении, а четырёх, но не в равных отношениях, как при независимом комбинировании признаков, а со значительным преобладанием фенотипов сходных с родительскими формами: 41,5% мух было серых с зачаточными крыльями,как у одного исходного родителя и 41,5% чёрных с длинными крыльями как у второго родителя. Только 17% потомков отличались новым сочетанием признаков: 8,5%потомков имели чёрное тело и зачаточные крылья и 8,5% имели серое тело и длинные крылья,т. е. сцепление оказалось не полным. Для объяснения этого явления Морган использовал и развил теорию хиазмотипии Янсена, который в 1909 году наблюдал, что при спермиогенезе у саламандры в первой профазе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют, а затем, при начале расхождения, образуют фигуры в виде греческой буквы хи. Т. Морган высказал гипотезу о том, что при образовании хиазм гомологичные хромосомы обмениваются участками. Обмен гомологичных хромосом частями назвали перекрестом или кроссинговером. Особей с еовым сочетанием признаков называют кроссоверами. Кроссинговер приводит к изменению групп сцепления и расширяет возможности комбинативной изменчивости.

Количество новых форм зависит от частоты перекреста, а частота перекреста между определённой парой генов относительно постоянная, но разная для разных пар генов. На основании этого был сделан вывод, что по частоте перекрёста можно судить о расстоянии между генами. За единицу расстояния между генами принята частота перекрёста равная 1% (морганида). Величина перекреста зависит от расстояния между генами,чем больше расстояние, тем чаще происходит перекрест, чем меньше, тем реже ( явление интерференции). Установлено, что число кроссоверных особей никогда не превышает 50% от общего числа,так как при больших расстояниях между генами происходит двойной кроссинговер и часть кроссоверов не учитывается. Их можно учесть при изучении не двух пар сцепленных генов, а трёх или четырёх. В этом случае, учитывая двойные и тройные перекресты, можно точно судить о расстоянии между генами Явление кроссинговера, установленное генетическими методами, цитологическими методами доказали К. Штерн на дрозофиле и Б. М. Клинтон и Г. Крейтон на кукурузе.

ЛИНЕЙНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ГЕНОВ В ХРОМОСОМЕ, КАРТЫ ХРОМОСОМ. После того, как установили связь генов с хромосомами, что частота кроссинговера всегда определенная для каждой пары генов, расположенных в одной группе сцепления, встал вопрос о пространственном расположении генов в хромосоме. На основании многочисленных исследований Т. Морган в 1919г. сформулировал положение, которое в дальнейшем получило название закона Моргана или закона сцепления и перекреста: Если А; В; С; представляют собой три гена и если известны соотношения сцепления между А и В; В и С, то соотношение сцепления между А и С является функцией суммы или разности,т. е. сравнивая проценты кроссинговера между несколькими генами можно расположить их в группе сцепления справа и слева друг от друга на расстояниях, соответствующих % обмена между каждой парой генов, при этом действует правило аддитивности. На основании этих положений был сделан вывод о том, что гены в хромосоме расположены в линейной последовательности на определенных расстояниях друг от друга, это дало возможность составлять генетические карты хромосом. К настоящему времени составлены карты хромосом для большинства видов животных и растений. При сопоставлении генетических карт хромосом с цитологическими было установлено, что каждый ген находится в определенном месте (локусе) хромосомы, расположены линейно, но расстояние между генами на генетической карте не вполне соответствует установленным цитологически. Однако это не снижает ценности генетических карт, для предсказания появления особей с новыми сочетаниями признаков.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХРОМОСОМНОЙ ТЕОРИИ НАС ЛЕДСТВЕННОСТИ:

- материальные носители наследственности – гены находятся в хромосомах, располагаются в них линейно на определенном расстоянии друг от друга;

- гены, расположенные в одной хромосоме, относятся к одной группе сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом ;

- признаки, гены которых находятся в одной хромосоме, наследуются сцеплено;

- в потомстве гетерозиготных родителей новые сочетания генов, расположенных в одной паре хромосом, могут возникать в результате кроссинговера в процессе мейоза;

- частота кроссинговера, определяемая по проценту кроссоверных особей, зависит от расстояния между генами;

- на основании линейного расположения генов в хромосоме и частоты кроссинговера,как показателя расстояния между генами, можно построить карты хромосом;

Контрольные вопросы: 1. Что такое группа сцепления? 2. Что такое полное и неполное сцепление? 3. Какие причины могут изменить ожидаемое соотношение генотипов? 4. Всегда ли кроссинговер приводит к генетической рекомбинации? 5. Как определяется и в каких единицах измеряется расстояние между генами в хромосоме? 6. На основании каких данных составляются генетические карты хромосом? 7. Перечислите основные положения хромосомной теории Т. Моргана.

Лекция 6.

Тема: Генетика пола.

Вопросы: 1. Теории ( типы) определения пола. Патология по половым хромосомам. 2. Проблема регулирования и раннего определения пола. 3. Наследование признаков сцепленных и обусловленных полом и их практическое использование.

1. Теории (типы) определения пола. Пол – совокупность морфологических и физиологических особенностей организма, обеспечивающих половое размножение, сущность которого сводится к оплодотворению, т.е. слиянию мужских и женских половых клеток (гамет) в зиготу, из которой развивается новый организм. В изучении полового размножения есть еще много не решенных вопросов. В частности, до сих пор обсуждаются преимущества и недостатки полового размножения. Предполагается , что асексуальные системы менее приспособлены к изменяющимся условиям внешней среды, неспособны эффективно элиминировать вредные мутации и относительно недолговечны.

Детерминация пола может происходить на разных стадиях цикла размножения, Пол зиготы может предопределяется ещё в процессе созревания женских гамет. Такой тип детерминации пола называют прогамным (коловратки, тли, эрисема). Яйцеклетки этих животных в результате неравномерного распределения цитоплазмы в процессе оогенеза становятся различнывми по размеру ещё до оплодотворения. Из крупных яиц после оплодотворения развиваются только самки, из мелких – самцы.

Если пол нового организма определяется при оплодотворении, то такой тип детерминации пола называют сингамным.

В некоторых случаях детерминация пола происходит после оплодотворения под влиянием условий внешней среды, такой тип детерминации принято называть эпигамным (морской червь –бонеллия).

Отмечено, что соотношение полов у животных при рождении близко 1:1, т. е. данное соотношение совпадает с расщеплением при анализирующем скрещивании, когда одна особь гетерозиготна, а вторая гомозиготна по рецессивному гену. При изучении кариотипа самцов клопа, было установлено, что в одних сперматоцитах второго порядка семь хромосом, а в других -6, следовательно, одна хромосома оказалась непарной, её назвали X –хромосомой, а все остальные хромосомы в клетке – аутосомами. В последствии были обнаружены организмы, у которых в сперматогониях одна из пар хромосом представлена неодинаковыми по размеру и форме хромосомами, за одной,сходной с парными хромосомами женского пола осталось название « X – хромосома» , другую- иной формы и размера назвали « Y хромосома». Эти хромосомы назвали –половыми. Пол, образующий гаметы одного сорта по половым хромосомам ( X и X ), назвали гомогаметным; образующий два сорта гамет ( X и Y или X и 0 )- гетерогаметным.

Хромосомная теория определения пола. Различают дифференциацию пола ( фенотипический пол),т.е. появление внешних гениталиев, вторичных половых признаков и первичное определение пола, под которым понимают появление гонады ( репродуктивного органа соматической природы ) самки или самца _ яичника или тестиса. Считается, что принципиальная схема этого процесса консервативна. У раздельнополых пол в основном детерминируется хромосомным механизмом, но факторы внешней среды могут регулировать и видоизменять половой фенотип. Выделяют несколько типов определения пола в зависимости от числа и состава половых хромосом. У млекопитающих, рыб, двукрылых насекомых, а так же двудомных растений гетерогаметный пол ( XY) мужской. У птиц, рептилий, некоторых бабочек, рыб, земноводных, цветковых растений, наоборот, гетерогаметный пол - женский. У водяного клопа (Protenor), у некоторых бабочек и червей пол связан с наличием у самцов одной X хромосомы( набор половых хромосом –XO ), а у самок – двух. Умоли самки имеют одну X хромосому ( XO), а самцы – две. У перепончатокрылых ( в том числе и у медоносной пчелы ), пол определяется иным путем. В этой группе самки диплоидны, а самцы первично гаплоидны, однако, гаплоидность у самцов присуща клеткам зародышевого пути (клеткам из которых развиваются гаметы), во всех остальных частях тела ( за счёт вторичного удвоения хромосом) диплоидный набор хромосом. В результате самцы имеют нормальные размеры тела и жизнеспособны. У самок мейоз протекает нормально, а у самцов не происходит редукции хромосом. Первичная гаплоидность самцов связана с тем, что они развиваются из неоплодотворённых яиц, что присуще только перепончатокрылым. Совершенно очевидно, что колоссальные и легко фиксируемые различия в организации и физиологии особей разных полов развиваются на фоне полностью идентичных у самцов и самок наборов генов, расположенных в аутосомах, которые не связаны с половыми различиями, а определяются, сравнительно небольшим числом генов, заключённых в половых хромосомах.

Балансовая теория определения пола К. Бриджеса.

Балансовую теорию определения пола у дрозофилы разработал американский генетик К. Бриджес в 1921 г. ( к настоящему времени известно, что в Y хромосоме у дрозофилы открыто 11 генов, влияющих на формирование сперматозоидов, но не влияющих на формирование половых признаков, характеризующих взрослых самцов. Особь XO ( Y – хромосома утрачена) является самцом. Первичный сигнал, возникающий из соотношения Х- хромосом и аутосом контролирует все аспекты половой дифференцировки через действие ключевого гена Sxl. У самок, имеющих отношение Х : А равное 1, Sxl активен, у самцов, с отношением 0,5 не активен. Состояние активности гена Sxl регулирует процессы дозовой компенсции, развития половых признаков в соматических и зародышевых клетках).

Бриджес, скрещивая триплоидных самок ( 3Х : 3А) с нормальными самцами ( XY + 2А), обнаружил в потомстве среди нормальных самок и самцов особей с промежуточным или необычным проявлением половых признаков. Всё потомство распалось на 8 классов в зависимости от соотношения половых хромосом и аутосом: 1. 3Х : 3А- триплоидные самки; 2. 2Х : 2А-диплоидные самки; 3. ( 2Х + Y) : 2А – самки; В этих случаях отношение Х –хромосом к аутосомам составляет единицу. Наличие мужской Y- хромосомы не влияет на нормальное развитие самки.

4. Особи, имеющие хромосомную конституцию ХY : 2А, для которых отношение половых хромосом к аутосомам равно 0,5, по фенотипу нормальные самцы.

5 и 6. Особи 2Х : 3А и ( 2Х+ Y) : 3А, у которых отношение Х хромосом к аутосомам варьировало между 0,5 и 1 имели смешанное проявление мужских и женских половых признаков ( интерсексы). У них полностью отсутствовали секторы тела, детерминированные по полу, либо в ходе развития до определенного момента формировались органы, присущие одному полу, затем органы другого пола.

7 и 8. если число наборов хромосом увеличивалось до 3 при наличии 1 Х-хромосомы ( Х : 3А), развивался « сверхсамец» - организм с гипертрофированными признаками самца, но стерильный. Увеличение числа Х хромосом при диплоидном наборе аутосом ( 3Х : 2А), напротив, ведет к формированию « сверхсамки» с ненормально развитыми яичниками и другими нарушениями признаков пола. Полученные данные позволили Бриджесу заключить, что пол у дрозофилы определяется балансом числа Х –хромосом и аутосом, т. е. Y- хромосома вообще не играет роли в определении пола.

Генетическая теория определения пола.

Классическими эмбриогенетическими исследованиями установлены два правила определения пола у млекопитающих. Первое, сфориулированное А. Жостом в 60 –х гг. « Специализация развивающихся гонад в тестис или яичник опеделяет последующую дифференциацию эмбриона». Примерно до 1959 г. считали, что число Х- хромосом является важнейшим фактором контроля пола у млекопитающих. Однако, наличие особей с одной Х – хромосомой развивающихся как самки, и особей с Y- хромосомой и несколькими Х – хромосомами, развивающихся как самцы, заставило отказаться от таких представлений. Было сформулировано второе правило определения пола у млекопитающих: « Y- хромосома несёт генетическую информацию требуемую для терминации пола у самцов». Совокупность этих двух правил называют принципом Жоста: «Хромосомный пол, связанный с присутствием или отсутствием Y-хромосомы, определяет дифференциацию эмбриональной гонады, которая, в свою очередь, контролирует фенотипический пол организма». Пордобный механизм определения пола называют генетическим и противопоставляют теориям, основаны на контролирующей роли внешней среды или соотношению половых хромосом и аутосом.

Биологической основой генетического механизма определения пола является бисексуальность эмбриональных гонад млекопитающих, которые формируются из клеток целомического эпителия, мезенхимы и первичных половых клеток гоноцитов. В таких прогонадах одновременно присутствуют мюллеровы и вольфовы протоки – зачатки половых путей самок и самцов. Мюллеров проток прогонады является предшественником матки, яйцеводов и верхней части влагалища. Вольфов проток - семя проводящих протоков эпидидимиса, семенных пузырьков. Первичная детерминация пола начинается с появления в прогонадах специализированных клеточных линий- клеток Сертоли в которых проявляет свою деятельность ген MIS « Mullerian Jnhibitiny Substance) или AMH « anti Mullerian Hormone» ответственный за прямое и опосредованное развитие мюллерова протока, развитие внутренних и наружных гениталий по мужскому типу, который находится в коротком плече 19 хромосомы со временем экспрессии от 10 до 12 недели эмбрионального развития. Морфологически вначале прогонада с ХХ и ХY хромосомами в кариотипе эмбрионов неразличима. Первые половые различия между гонадами наблюдаются у человека через 6 недель, у мышей через 12 дней после зачатия. Установлено что для нормального функционирования клеток Сертоли необходим ХY кариотип. Присутствие в геноме Y- хромосомы всегда приводит к формированию мужской гонады, независимо от числа Х- хромосом.Доминирующее влияние Y- хромосомы рассматривают как первичный сигнал, направляющий дифференцировку пола по мужскому типу. При отсутствии гонад или при нарушении их развития пол формируется по женскому типу независимо от хромосомного набора.

Мужским полоопределяющим геном является SRY « sex determining region Y», локализованный в коротком плече Y – хромосомы. Особи, у которых Y-хромосома представлена коротким плечом – мужские, длинным – женские. Ген SRY находится только в Y- хромосоме. Это небольшой ген, лишенный интронов, с промотором 310 п.н.,богатый Г Ц парами с рамкой считывания 12п.н., кодирует белок из 204 аминокислот. Аналогии последовательностей гена SRY нет ни Х- хромосоме ни в аутосомах. SRY- один из семейства генов ( их более 20), получившего название SOX ( SRY type HMG box ). Для этого семейства характерна тканеспецифическая экспрессия в раннем эмбриогенезе. Sox1, Sox2 и Х- хромосомный Sox3- активны при развитии нервной системы. Sox4 работает, как активатор транскрипции, в Т- лимфоцитах, а Sox5 проявляет специфическую активность во время сперматогенеза. Sox9 – требуется для нормального развития скелета и ответственный за CD – синдром ( cat- pomelic displasia), он находится 17 хромосоме, экспрессируется до 13 дня эмбрионального развития в мезенхиме ( примитивная зародышевая ткань). Его считают модификатором влияния SRY на экспрессию MIS,т.е. своеобразным ограничителем активности этого гена в раннем эмбриогенезе. На формирование пола у человека влияют гены ZFY ( Zinc Finger Y)-короткое плечо –Y- хромосомы и ZFX- короткое плечо Х- хромосомы. Ген AR- рецептор андрогенов, локализованный в длинном плече Х- хромосомы, с размером в 75 т.п. н., кодирует белок из 917 аминокислот. Мутации в генах, кодирующих рецепторы андрогенов и фермент 5-а редуктазу, приводят к нарушению полового развития- мужскому псевдогермафродитизму (генетический, гонадный, гормональный пол мужской, но наружные половые органы недоразвитые мужские или женские).

В геноме млекопитающих Y- хромосома единственная, которая непосредственно не работает на реализацию генотипа. Её генетическая значимость связана с преемственностью между поколениями, с контролем гаметогенеза, первичной детерминацией пола.Все гены Y- хромосомы или имеют реальную селективную ценность, или находятся на пути исчезновения ( псевдогены). Жесткий отбор действует только на немногие её гены, остальная ДНК селективно нейтральна. Предполагают связь между спецификой детерминации и дифференциации пола и репродуктивной межвидовой изоляцией, что может лежать в основе постулата Д. Холдейна ( 1922 г.) о стерильности или отсутствии гетерогаметного пола при отдаленной гибридизации. Бисексуальность первичных гонад, сложное взаимодействие генов, определяющих формирование пола, с гормональной и нервной системами организма приводит к тому, что переформирование пола может проходить в процессе всего онтогенеза, это приводит к проявлению гинандроморфизма, фримартинизма, гермафродитизма.

Патология по половым хромосомам проявляется в виде синдрома Тернера ( ХО); синдрома Клайнфельтера- Шерешевского с формулой 2А +nX + mY с пограничными значениями 1-4n и 0-2m; синдром CD у человека и у человека описан ген WTI, вызывающий ряд наследственных заболеваний ( опухоль Вильямса, синдром Денис- Драма, экспрессирующийся на 9 день эмбрионального развития и контролирующий развитие недифференцированной бисексуальной гонады. Ранняя диагностика патологии по половым хромосомам проводится методом Барра или у некоторых млекопитающих по феномену полового хроматина – барабанным палочкам (вытянутые ядра нейтрофильных лейкоцитов у женских особей), их наличие у самцов – патология.

2. Проблема регулирования и раннего определения пола. Данная проблема имеет экономическое значение. Пути решения: 1. Метод диплоидного партеногенеза для получения самок и метод оплодотворения яйцеклеток для получения самцов, разработанный Б. Л. Астауровым для тутового шелкопряда. Трудность использования этого метода на других животных в том, что диплоидизация ядер у них происходит внутри материнского организма. 2. Разделение спермы в электрическом поле на две фракции- анодная с Х- хромосомой катодную с Y- хромосомой ( В.Н. Шредер). 3.Разделение спермы в вязком разбавителе на две фракции: тяжёлая с Х- хромосомой, лёгкая с Y- хромосомой ( Баттихария). 3. Иммунизация производителей анодной или катодной фракцией спермы ( Шредер). В организме вырабатываются антитела не только против введённой спермы, но и против собственных сперматозоидов несущих ту или иную половую хромосому. В экспериментах удавалось получить 80 – 90 % особей желательного типа. 4. Воздействие половых гормонов. Е.М. Владимирской удалось изменить соотношение полов воздействием метилтестостерона на сперму хряка – рождалось 61% хрячков, аналогичные результаты на рыбах получены в Японии. Сложность этой проблемы в том, что на соотношение полов влияют множество факторов- гормоны, питание, температура, сезон рождения.

Распознавать пол у новорожденных некоторых видов невозможно ( тутовый шелкопряд, птица), а поздняя выбраковка экономически невыгодна, поэтому методы ранней диагностики пола сводятся к нахождению маркерных генов признаков сцепленных с полом. У тутового шелкопряда выведены породы у которых тёмные яйца – женские, светлые самцы. У плимутроков ген В (серое оперение), у петушков в возрасте 1 дня появляется белое пятно на голове ( ХХ) у курочек нет. Оперившись петушки становятся серыми, выведены породы у которых петушки и курочки различаются по окраске оперения.

3. Наследование признаков сцепленных и обусловленных полом.

Генетическими исследованиями установлено, что Y- хромосома относительно генетически инертна. Поэтому гены Х- хромосомы не имеют своих аллельных партнеров в Y – хромосоме. В силу этого рецессивные гены Х- хромосомы могут проявляться, т. к. им не противостоят доминантные гены Y- хромосомы. Одинарное ( гаплоидное) состояние генов в Y- хромосоме у гетерогаметного пола, которые проявляют свое действие в фенотипе,получило название гемизиготности. Признаки, развитие которых контролируется генами расположенными в половых хромосомах, называются сцепленными с полом. Впервые наследование признаков сцепленных с полом описал Т. Морган, скрещивая красноглазых самок с белоглазыми самцами у мух дрозофил.В дальнейшем было установлено, что признаки сцепленные с полом наследуются крест на крест ( крисс – кросс), т. е. от матери к сыну от отца к дочери. При гетерогаметности женского пола, наблюдается сходная, но обратная зависимость. У человека так наследуются дальтонизм, гемофилия. Признаки, гены которых находятся в Y- хромосоме, наследуются от отца к сыну ( волосатые уши у человека).

Ограниченные полом признаки такие, которые развиваются только у одного пола. Гены, контролирующие их развитие, могут находится в любой паре хромосом и передаваться одинаково сыновьям и дочерям.

Контрольные вопросы: 1.Что такое половые хромосомы и аутосомы? 2. В чём сущность хромосомной и балансовой теории определения пола? 3. В чём сущность генетической теории определения пола? 4. Назовите патологии по половым хромосомам. 5.Какие существуют методы регуляции и ранней диагностики пола? 6. Как наследуются признаки сцепленные и ограниченные полом.

Лекция 7

Тема: Биологическая роль и структура нуклеиновых кислот.

Вопросы: 1. Нуклеиновые кислоты - материальные носители наследственной информации. 2. Строение ДНК и её видовая специфичность. 3. Репликация ДНК. 4. Строение и типы РНК.

1. Нуклеиновые кислоты – материальные носители наследственной информации. Доказательством роли ДНК в наследственности послужили опыты с пневмококками Ф. Гриффитса в 1928г, в которых впервые была показана возможность передачи наследственных задатков от одной бактерии к другой.

К 1944г О. Эвери с сотрудниками получили убедительные доказательства того, что индекс формирующим фактором является ДНК. В 1945г Р. Хотчикс установил, что молекулы ДНК донора интегрируются в генетический аппарат клетки – реципиента. В 1952г А. Херние и М. Чейз на опытах с бактериофагом, пометив его ДНК (32Р), а белок (35S), заражая бактерии, установил, что в клетку бактерии проникает только ДНК, но в клетках, зараженных бактерий, созревает множество зрелых частиц фага. Это подтверждает, что в ДНК заключена наследственная информация, которая передается ими по наследству.

В последующем было установлено, у некоторых прокариот наследственная информация зашифрована в РНК.

2. Строение ДНК и ее видовая специфичность.

Нуклеиновые кислоты открывая в 1868г И.Ф. Мишер, выделив из ядер клеток кислот вещество, которое назвал нуклеином.

ДНК – биологический полимер (длинная цепочка состоящая из одинаковых (гомополимеры) и разные (гетерополимеры) звеньев мономеров. В основе – пентоза. В углеводах соотношение О₂ к Н₂ как в воде 1:2; (C_nH_2nO_n) исключение ДНК. Нет одного атома кислорода, отсюда – дезоксирибоза.

К каждому остатку дезоксирибозы присоединяется одно гетероциклическое азотистое основание: аденин, гуанин – пурины; цитозин и тимин – пиримидины.

Гетероциклические кольца включают кроме углерода другие атомы, в данном случае с азотом.

Соединение азотистого основания с углеводом – нуклеозид.

Углерод в ДНК – циклический. Связь через атом О₂ образует 5 угольную молекулу. Нумерация углерода начинается с того, к какому присоединяется основание. 5’ атому углерода с помощью эфирной связи фосфат; у 3’ гидроксильная группа ОН.

Химическим составом цепочки служат остатки фосфорной кислоты, которые связаны фосфодиэфиргенными связями с 5’ углеродом одной молекулы пентозного сахара и 3’ углеродом другой. Благодаря таким связям образуется полярность 5’-3’ (репликация цепи 5’-3’).

Правило Гаргафора: А=Т; Г=Ц; (А+Г)/Т+Ц=1

Модель ДНК – 2953 Д.К. Уотсон и Ф. Крик. Диаметр 2а.м. длина шага 3,4а.м. в каждый виток 10 надо нуклеотидов. В формах ДНК – правозакрученная

левозакрученная.

Структурная организация.

Первичная структура – полинуклеотидная цепь.

Вторичная структура – две комплементарные и антипараллельные полициклические цепи.

Третичная структура – трехмерная спираль.

Видовая специфичность: А+Т/Г+Ц; - у эукариот избыток

А+Т, у прокариот встречаются формы с избытком А+Т и Г+Ц.

ДНК содержит 10⁸ нуклеотидов, порядок чередования нуклеотидов составляет 4*10⁸.

Двойная спираль ДНК непрестанно меняющаяся структура, самые быстрые процессы происходят в ней за пикосекунду (10^-12с), более медленные от тысячной доли секунды до одного часа. Малые ДНК – митохондрии, хлоропласты содержат 10-100 * 10³ н.п., в среднем 10⁶ н.п.

2. Репликация ДНК. ДНК- единственное вещество, количество которого строго постоянно во всех клетках организма. Репликация ДНК происходит перед каждым удвоением хромосом и делением клетки, у эукариот в фазу S интерфазы. Структура способная к репликации – репликон ( хромосома, плазмида, вирусный геном). Репликация обеспечивает материальную непрерывность наследственного вещества клетки.

Уотсон и Крик предложили схему репродукции ДНК, согласно которой спиралевидная двухцепочная ДНК сначала раскручивается ( расплетается) вдоль оси, при этом слабые водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся, образуя репликационную вилку. Одновременно с этим к нуклеотидам каждой цепи пристраиваются комплементарные нуклеотиды, которые с помощью ферментов ДНК- полимераз связываются в новые полинуклеотидные цепи. В результате из одной образуются две новые дочерние молекулы ДНК. Каждая дочерняя молекула, наследуя структуру одной цепи материнской молекулы, строго сохраняет специфичность заключенной в ней информации. Поскольку матрицей для репликации служит одна из двух цепей молекулы такой тип синтеза ДНК носит название полуконсервативной репродукции. Г. Стент выдвигал ещё два способа репликации: консервативный и дисперсный, которые были опровергнуты исследованиями М. Мельсона и Ф.Сталя с изотопами азота ¹⁵N.

У прокариот репликация идёт с одной стартовой точки, у эукариот стартовых точек несколько. На лидирующей цепи 5' - 3' репликация идёт в виде сплошной нити, на запаздывающей 3' - 5' вначале образуются отрезки у эукариот по 100 – 200 , а у прокариот по 1000 – 2000 нуклеотидов – фрагменты Оказаки, которые затем ферментами ( лигазой), сшиваются в единую цепь. Кольцевые ДНК прокариот реплицируются в виде « катящегося обруча». Одна из нитей ДНК разрывается и её конец прикрепляется к клеточной мембране , а на противоположном конце, как на матрице, идёт синтез дочерней нити ДНК. Скорость репликации у бактерий – 500, у вирусов – 900 нуклеотидов в минуту, у эукариот значительно медленнее – 20 – 40 нуклеотидов в минуту.

3. Строение и типы РНК.

Установлено, что синтез белка происходит не в ядре, где находится ДНК, а в цитоплазме. Следовательно, ДНК не может служить матрицей для синтеза белка. Каковы молекулярные механизмы переписи информации?

Выяснилось, что молекулами ответственными за внутриклеточную транспортировку информации и за преобразование ее в последовательность аминокислот в структуре белковой молекулы являются РНК. Молекулы РНК имеют 1 полипептидную цепь.

Молекулярная масса РНК колеблется от 2*10⁴ до 2*10⁶Д. Существует 3 основных вида РНК: информационная иРНК или мРНК, рибосомальная рРНК, транспортная тРНК, которые различаются по величине молекул и функциям. Все типы РНК синтезируются на ДНК при участии РНК – полимераз. Установлено, что у бактерий в синтезе тРНК участвует только 0,028% молекулы ДНК, в синтезе рРНК - 0,3%. На большей части молекулы ДНК синтезируется иРНК.

Информационная РНК впервые была обнаружена в 1957г. У бактерии кишечной палочки, зараженная фагом Т2. Выделили иРНК из зараженных фагом бактерий и метазом химического анализа доказали, что нуклеотидный состав иРНК точно соответствует нуклеотидному составу ДНК фагу.

Роль иРНК заключается в переписывании наследственной информации с участием ДНК (гена) другие с копированной последовательности азотистых оснований переносят ее в рибосомы, где происходит синтез определенного белка. Каждый триплет (три нуклеотида) на иРНК называется кодоном. От него зависит какая встанет аминокислота в данном месте при синтезе белка.

В рибосомах иРНК выполняет еще роль матрицы (они поэтому называются еще матричными) иРНК составляет около 5% всей клеточной РНК. Отмечаем 2*10⁶Д молекулярной массой, следовательно, состоит из многих сотен и даже тысяч нуклеотидов. Существует большое разнообразие иРНК как в отношении состава, так и величины молекул. Почему?

В клетке много белков разнообразных по строению (только в бактериальной клетке их в среднем 2 тысячи), а строение обусловлено своей иРНК.

Транспортная РНК отличает гены молекулярной массой 24-30*10³ Д и содержит в своей молекуле 75-80 нуклеотидов.

За последние годы установлена нуклеотидная последовательность у многих молекул тРНК. На тРНК приходиться около 10-15% всей клеточной РНК. Роль тРНК заключается в том, они переносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в синтезе белка. Каждая аминокислота присоединяется к определенной тРНК. Для ряда аминокислот открыто более одной тРНК. К настоящему времени обнаружено больше 60 тРНК.

Рибосомальная РНК (рРНК) молекулярная масса 5-20*10⁵Д, содержит до 6000 нуклеотидов. Рибосомальная РНК накапливается в ядрышках, затем поступает в цитоплазму. Комплексуясь с особыми белками она образует рибосомы, в которых осуществляется синтез белков в клетке. Поскольку рибосом в клетке много (тысячи ), поэтому и общее количество рРНК составляет около 80% всей РНК клетки.

Биологическая роль рРНК до конца не выяснена. Считают, что одной из функций рРНК является образование «каркаса» определяющего морфологию рибосомы.

Рибосомы представляют собой органеллы величиной 20-30 нм. Они построены из двух суб- частиц разного размера, формы и химического состава. В животных клетках большая часть рибосом связана с мембранами эндоплазматического ретикулума. На определенных стадиях белкового синтеза в клетке происходит разделение рибосом на суб-еденицы.

Отметим, что число рибосом в клетке прокариот ≈10⁴, у эукариот -10⁵. В период синтеза белка рибосомы могут объединяться полисомы, образуя высоко организованные комплексы.

Контрольные вопросы: 1. Какие пуриновые и пиримидиновые основания входят в ДНК? 2. Каковы доказательства генетической роли нуклеиновых кислот? 3. Какие азотистые основания образуют комплементарные пары в ДНК ? 4. Назовите основные особенности строения ДНК и РНК. 5.В чём сущность и каков механизм репликации ДНК? 6. В чём сущность правил Чаргаффа? 7. Назовите типы РНК и какова их генетическая роль?

Лекция 8

Тема: Биосинтез белка в клетке.

Вопросы: 1. Этапы реализации генетической информации: транскрипция, генетический код, трансляция. 2. Регуляция синтеза белка в клетке у прокариот. 3. Механизм генной активности у эукариот.

1. Этапы реализации генетической информации. Установлено, что наследственность реализуется в процессе биосинтеза белка по схеме ДНКـــــ РНК ـــــ белок. Синтез ферментов и др. белков необходим для жизнедеятельности и развития организма происходит в основанном в первой фазе интерфазы до начала репликации ДНК. Для синтеза белка необходимы следующие компоненты ДНК (гены), иРНК, тРНК, рибосомы, ферменты, белковые факторы, которые принимают непосредственное участие в системе трансляции. Источники энергии АТф, ГТф. Ионы Mg^{2 +} и аминокислоты. В процессе синтеза белка различают этапы: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция – переписывание нуклеотидных последовательностей определённых участков ДНК в форме мРНК, т. е.первый шаг на пути к формированию признака. Синтезированные в ходе обмена веществ в клетке рибонуклеозиды, в форме рибонуклеозидтрифосфатов, пристраиваются к комплементарным основаниям ДНК. Матрицей для синтеза иРНК является ген в молекуле ДНК, с которого точно транскрибируется порядок нуклеотидов в гене с 3'- 5' конца. Считывание наследственной информации начинается с промотора, который расположен перед геном и включает около 80 нуклеотидов, у вирусов около 10 нуклеотидов ( один виток спирали). Фермент ДНК- зависимая РНК- полимераза узнает промотор прочно с ним связывается , « расплавляет» его, разъединяя нуклеотиды комплементарных цепей. По мере разъединения цепей ДНК, на одной из них – смысловой 5'-- 3' идёт синтез РНК ( рибонуклеозидтрифосфаты с помощью ферментов с отщеплением пирофосфатов связываются в цепь РНК).Участки гена, на которых прошёл синтез РНК , вновь соединяются, а синтезированная РНК постепенно отделяется от ДНК. В организме транскрибируются только те гены, продукт которых необходим в данный момент онтогенеза, т.е. около 10% генов. Синтезированная РНК называется « сырой» или проРНК, которая не может выйти в цитоплазму, пока не пройдут посттранскрипционные процессы – процессинг( сплайсинг, метилирование внутренних оснований и 5'- конца, к которому присоединяется остаток метилированного гуанина « колпачек»,играющй роль при связывании иРНК с малой субединицей рибосомы, а к 3'- концу присоединяется около 200 остатков адениловой кислоты). После этого иРНК выходит в цитоплазму. В цитоплазме идёт активация аминокислот, которые с помощью фермента – аминоацил тРНК синтетазы присоединяются к своим тРНК ( к акцепторному участку ЦЦА). «Нагруженная» тРНК в комплексе с белковыми факторами, ГТФ подходит к рибосоме.

Генетический код – система перевода нуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность первичной полипептидной цепи белка. В алфавите ДНК 4 буквы ( нуклеотиды), известно 20 основных аминокислот. Алфавитом нуклеотидов записываются трёхбуквенные слова (аминокислоты), которые затем объединяются во фразы (гены). Трёхбуквенное сочетание в ДНК – триплет, в РНК – кодон. Основные свойства генетического кода:

- триплетный;

- вырожденный, т.е. одной аминокислоте, как правило, соответствует более одного ( 1-6) кодона. В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида чаще всего одинаковые, а третий варьирует;

-универсальный, он един для всего живого;

- неперекрывающийся, нуклеотидная последовательность считывается в одном направлении подряд, триплет за триплетом. Кодоны не перекрываются;

- АУГ – стартовый кодон;

- УАГ, УАА, и УГА – кодоны терминаторы;

Трансляция. Передача с помощью генетического кода нуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность белковой молекулы в комплексе мРНК с рибосомами. В трансляции выделяют: инициацию, элонгацию и терминацию. Вначале рибосома состоит из двух отдельных субединиц. иРНК присоединяется к малой 30 S cубъединице. Трансляция начинается с кодона инициации- АУГ ( антикодон тРНК-УАЦ.кодирующий метионин). Затем присоединяется большая субъединица 50 S рибосомы,создаётся активный комплекс. В функционально активной 80S рибосоме имеются аминоацильный и пептидильный центры. Аминокислота метионин,которую кодирует стартовый кодон АУГ из аминоацильного центра переходит в пептидильный, освобождая место для следующей аминокислоты. Начинается элонгация. Поступившая следующая аминокислота с помощью фермента пептидилтрансферазы присоединяется своей аминогруппой ( NH₂ ) к карбоксильной группе (COOH) предыдущей, образуя пептидную связь (-CO – NH₂ - ). Рибосома перемещается на один кодон. На одной мРНК могут работать до 100 рибосом. Трансляция продолжается до тех пор пока в цепи нуклеотидов не появится кодон терминации, который блокирует трансляцию.

2. Регуляция синтеза белка у прокариот. На основании изучения синтеза ферментов у кишечной палочки французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно предложили теорию индукции и репрессии белкового синтеза. По их теории гены, влияющие на синтез какого- то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход синтеза ( структурные гены ). Перед структурными генами расположен ген оператор, а перед ним ген промотор ( прикрепляется РНК полимераза, осуществляет транскрипцию оперона ), на некотором расстоянии от них расположен ген регулятор, под контролем которого вырабатывается белок – репрессор с двумя специфическими участками: один для присоединения к оператору, другой для связывания с индуктором. В целом эта группа генов, определяющая синтез функционально связанных ферментов, называется – оперон. Синтез ферментов начинается под влиянием индуктора( определенное вещество, соединение, которое служит материалом для данного , или сходное с ним вещество. Индуктор соединяется с репрессором, инактивирует его. Ген оператор освобождается, начинается синтез иРНК на структурных генах и соответствующий синтез ферментов. Синтез идёт до тех пор пока в клетку поступает индуктор.

Существуют опероны аминокислот, азотистых оснований, анаболитических ферментов, которые функционируют по принципу обратной связи. В этом случае синтез ферментов идет до тех пор пока, пока конечного продукта в клетке недостаточно. Избыток продукта репрессирует синтез ферментов , участвующих в его образовании.

Механизм генной активности у эукариот. Механизм действия оперонов у прокариот возможен и для эукариот. Однако, механизмы регуляции генов у эукариот значительно сложнее и менее изучены:

-для эукариот характерна дифференциация органов и тканей, которые состоят из узкоспециализированных клеток и в них синтезируются белки определённого состава и функций , характерных для данной клетки, поэтому в них в активном состоянии будет только та часть генетической информации, которая необходима для синтеза строго определённых белков. Установлено, что у эукариот имеются гены , которые работают только в специализированных тканях ( ген – миозин в мышцах), гены ответственные за выполнение ограниченных функций ( ген- гемоглобин; кератин волос).

- репликация ДНК. Дифференцировка клеток определяет и способ их деления. Характер деления зависит от способности ДНК синтезировать белки, обеспечивающие репликацию ДНК и митоз (в нейронах, мышечных клетках, клетках печени репликация идет длительное время, наоборот, клетки эпителия кишечника, костного мозга довольно интенсивно делятся).

- Стабильность иРНК. В отличие от прокариот, у эукариот иРНК может длительное время находится в цитоплазме в виде информосом, т. е. для них характерно длительное и не одновременное протекание транскрипции и трансляции. Поэтому, у них возможно образование без ядерных клеток, которые нормально функционируют за счёт ранее синтезированных иРНК (превращение ретикулоцитов в эритроциты идет 6 суток, ядра у них отсутствуют, но синтез белков в них протекает на иРНК, которые образовались в ядрах на предшествующей стадии нормобласта)

-Каскадная регуляция генов. В клетке происходит одновременное включение и выключение большой группы генов, локализованных в разных хромосомах. Регуляция осуществляется под воздействием специализированных сигнальных веществ, которые синтезируются в клетках других тканей. Важное значение имеет гормональная регуляция активности генов ( инсулин – гормон поджелудочной железы- белок из одной полипептидной цепи, 51 аминокислота, регулирует генетический аппарат клеток печени, в которых синтезируются ферменты для нормального протекания двух противоположных процессов: синтеза глюкозы из не углеводистых веществ и гликолиза глюкозы и синтеза из неё гликогена. Соотношение комплекса ферментов этих систем и регулирует оптимальную концентрацию глюкозы в крови. Инсулин – индуктор, активирует оперон содержащий 3 структурных гена, синтезирующих ферменты необходимые для гликолиза и синтеза гликогена. Одновременно – репрессор четырех генов другого оперона, влияющих на синтез глюкозы). Различные гормоны стимулируют активность генов у с – х животных, следовательно, влияют на продуктивность.

На активность генов влияет цитоплазма дифференцированных клеток и белки гистоны. При дифференцировке клетка приобретает способность реагировать только на определённые раздражители и синтезирует лько те белки, которые необходимы для её функционирования, эти свойства клетка сохраняет последующих клеточных поколениях.

Взаимодействие генов в онтогенезе показывает, что каждый этап развития, ведущий к образованию зачатка новой ткани зависит от взаимодействия генов данной клетки с генами других клеток, что приводит к изменению цитоплазмы за счёт индуцирования тех генов, которые в конечном счёте приводят к дифференцировке, на молекулярном уровне путём транскрипции и трансляции.

Контрольные вопросы: 1. Что такое транскрипция? 2. Что такое трансляция? 3.Что такое сплайсинг? 4. Перечислите основные свойства генетического кода. 4. В чём сущность теории Жакоба и Моно. 5. Какие факторы влияют на генную активность у эукариот? 6. Сколько аминокислот содержит белок, если кодирующая часть, соответствующего ему гена, состоит из 3000 нуклеотидов?

Лекция 10.

Тема: Генетика микроорганизмов.

1.Микроорганизмы – объекты генетических исследований.

2. Строение и размножение микроорганизмов.

3. Взаимодействие фага с бактериальной клеткой.

4. Перенос генетической информации у микроорганизмов.

1. Микроорганизмы – объекты генетических исследований. Бактерии и вирусы стали объектами генетических исследований с 40-х годов прошлого столетия, после того как С. Луриа и М. Дельбрюк показали, как нужно проводить опыты с микроорганизмами, как вести учет их признаков и анализировать полученные результаты.

Преимущество микроорганизмов как генетических объектов: 1. простота их культивирования; 2. Короткий период их регенерации; 3. Огромная численность потомства( мутации 1 на 1 млн. клеток и реже); 4. Гаплоидный набор хромосом, совмещаются функции гаметы и особи. Классическими объектами генетических исследований стали Escherichia coli, salmonella, нейроспора и дрожжи, а среди вирусов- бактериофаги, поражающие эти виды бактерий и вирус табачной мозаики.

Строение микроорганизмов. Химический состав клеток бактерий в основном такой же, как и клеток высокоорганизованных организмов. Они окружены оболочкой, внутри которой находятся цитоплазма, ядерный аппарат, рибосомы, ферменты и др. включения. В отличие от клеток эукариот в клетках бактерий отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть. Цитоплазма – коллоид с зернистой структурой. Основная масса гранул – рибосомы с константой седиментации 70S. В центральной части цитоплазмы – нуклеоид и плазмиды. Нуклеоид- одна длинная молекула ДНК ( хромосома ). ДНК бактерий не отличается от ДНК высших организмов. При размножении клетки наиболее ответственным является воспроизведение нуклеоида. В нуклеоиде ДНК суперспирализована и одним концом прикреплена к клеточной мембране – мезосоме ( впячиванию клеточной оболочке внутрь) Связь с мембраной предполагают необходима для репликации ДНК и для разделения дочерних молекул. Репликация полуконсервативным способом. Репликация начинается со специального участка – источника репликации, который соединен с мезосомой. В месте прикрепления ДНК к мезосоме одна из цепей ДНК разрывается. Конец 5' наружной разорванной цепи ДНК прикрепляется рядом к новому месту мезосомы. Хромосома вращается против часовой стрелки за местом прикрепления ДНК к мембране. Репликация идёт в одном направлении. К моменту завершения репликации точки прикрепления дочерних ДНК отдвигаются благодаря активному росту участка мембраны. По окончании репликации образуется межклеточная перегородка.

Строение и размножение вирусов.Вирусы резко отличаются от всех известных форм жизни. Они очень малы ( от 20 до 450 нм). Вирусы содержат одну из нуклеиновых кислот, которая окружена белковой оболочкой (капсид). Геном может быть представлен двухцепочной, одноцепочной ДНК, одно или двухцепочной РНК. Молекулярная масса ДНК от 1,5 · 10⁶ до 1,6 · 10⁸ у РНК 1,6·10⁶ до 9·10⁶ Д. Молекулы нуклеиновых кислот могут быть линейными и кольцевыми. Кживым их относят потому, что они обладают изменчивостью,размножением, обменом веществ, к неживым из-за слишком малого размера,неспособности самостоятельно синтезировать собственные белки и самостоятельно размножаться. Их называют « ядовитые кристаллы». Вирусы суперпаразиты, они репродуцируются только внутри клеток какого-то организма, используя для этого все необходимые компоненты клеток. Вирусы инфицируют от одноклеточных организмов до человека. К настоящему времени лучше изучены вирусы паразитирующие в бактериях, их называют бактериофаги, и х размеры от20 до200 н.м.

Взаимодействие фага с бактериальной клеткой. Вголовке фага плотно упакована нуклеиновая кислота. На конце хвостового отростка име.тся специальные волоконца облегчающие прикрепление фага к бактериальной клетке. Заражение происходит если клетка чувствительна к вирусу.Хвостовым отростком фаг прикрепляется к оболочке клетки,которая растворяется с помощью фермента лизоцима. Хвосмтовой отросток сокращается и нуклеиновая кислота впрыскивается внутрь клетки. Фаги с опустевшей головкой остаются адсорбированными на оболочке клетки. Некоторое время после проникновения нуклеиновой кислоты в клетку фаги не обнаруживаются ( скрытый период). В этот период начинается синтез ранних белков необходимых для синтеза нуклеиновых кислот фага под контролем фагового генома. Синтезируется несколько сотен нуклеиновых кислот фага (частично из питательных веществ клетки и частично из деградированной ДНК клетки) Синтез всех ферментов и фаговых структурных белков контролируется фаговой ДНК, которую можно обнаружить через 8 – 9 мин. после заражения. К 12 мин. Синтез ранних белков прекращается. В конце латентного периода идёт сборка частей фага с образование полного капсида. После этого клетка лизируется и фаги попадают в окружающую среду. По характеру взаимодействия с бактериальной клеткой фаги делятся на вирулентные и авирулентные ( умеренные). Умеренные могут вызывать лизис клетки, но могут перейти в неинфекционную форму. Путём кроссинговера фаги встраиваются в геном хозяина и передаются в дочерние клетки. Существование в геноме хозяина профага называется – лизогенией. В одном случае на 10000 делений клетки фаг может выйти из генома перейти в вирулентную форму и лизировать клетку. Умеренные фаги могут быть дефектными,т.е. неспособны к образованию зрелых фагов и используются в генной инженерии (осуществляют трансдукцию).

Трансформация. Трансформацию открыл Гриффитс в 1928г. Явление трансформации было установлено у стрептококков, менингококков и целого ряда других бактерий. В процессе трансформации принимают участие две бактериальные клетки – донор и реципиент. Трансформирующий агент представляет собой часть молекулы ДНК донора, которая внедряется в геном реципиента, изменяя его фенотип. В процессе трансформации клетки донора и реципиента не соприкасаются друг с другом. Механизм переноса генетического материала заключаются в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду молекулы или фрагменты молекул ДНК. Сначала ДНК адсорбируется на оболочке клетки реципиента. Затем через определенные рецепторные участки ее стенки при помощи специальных клеточных белков ДНК втягивается внутрь клетки. Проникающая донорская ДНК должна быть двухцепочной. В реципиентной клетке она становиться одноцепочной. В ДНК включается одна из цепей трансформирующего фрагмента. Эта цепь вступает в синапсис с гомологичным участком хромосомы реципиента и встраивается в нее посредством кроссинговера. При этом участок ДНК реципиента замещается фрагментом донора. Молекула ДНК со вставкой трансформирующего участка оказывается гибридной. При следующем удвоении возникает одна нормальная дочерняя молекула ДНК, другая трансформированная.

Еще в начальном периоде изучения явления трансформации установлено, что способность бактерий- реципиентов к трансформации определяется их физиологическим состоянием. Такое физиологическое состояние было названо компетентностью. Состояние компетентности краткосрочно и приурочено к определенному времени клеточного цикла. Было обнаружено, что трансформирующей способностью обладают только крупные молекулы ДНК с молекулярной массой 10⁶Д и более. Кроме того, необходимо, чтобы ДНК была полностью или частично гомологична ДНК реципиента.

У бактерий трансформация имеет место в пределах одного вида, но наблюдается и между разными близкими видами. Это указывает на то, что у них сохранилась гомологичность некоторых участков ДНК.

Трансдукция. Перенос генов из одной бактериальной клетки в другую при помощи умеренных фагов называется трансдукцией. Впервые явление трансдукции Н.Д. Циндер и Дж. Ледерберг в 1952г. Они проводили исследования на патогенных для мышей бактериях Salmonella typhimurium. Были отобраны два штамма S. typhimurium: штамм 22А ауксотрофный, неспособный синтезировать триптофан (Т-), и штамм 2А, способный синтезировать триптофан (Т+). Эти штаммы засеивались в U-образную трубку, разделенную внизу бактериальным фильтром. В одно колено трубки засевали штамм 22А (Т-), в другое колено штамм 2А (Т+).После определенного периода инкубации бактерии штамма 22А, при посеве на минимальную питательную среду, дали небольшое количество колоний (частота появления трансдуцированных клеток была равна 1*10^-5). Это свидетельствовало о том, что некоторые клетки приобрели способность синтезировать триптофан.

Каким же образом бактерии могли приобрести это свойство? Контакт между ними исключался наличием бактериального фильтра. Возможность обратной мутации штамма 22А была маловероятной, так как он отличался большой стабильностью. Циндер и Леденберг пришли к выводу, что наследственная информация перенесена при помощи фага. Исследования показали, что штамм 22А был лизогенен по фагу Р22. Этот фаг освобождался из лизогенной культуры, проходил через фильтр и лизировал штамм 2А. Присоединив часть генетического материала штамма 2А, фаг возвращался обратно и передавал этот генетический материал штамму 22А. Последний приобретал специфические наследственные свойства штамма 2А, в данном случае способность синтезировать триптофан. Аналогичным образом могут быть трансдуцированы и многие другие признаки, в том числе способность к сбраживанию, устойчивость к антибиотикам и антигенные свойства.

Несколько позднее явление трансдукции было установлено у кишечной палочки и актиномицетов. Функции переносчика генетического материала выполняют Е. coli фаги лямбда (символ λ) и Р-1, у шигелл – Р- 1, у сальмонелл – Р-22.

Известны трансдуцирующие фаги и у других бактерий. Как правило, трансдуцируется один ген, реже два сцеплнных гена и очень редко три. При переносе генетического материала происходит замена участка молекулы ДНК фага. Фаг при этом теряет свой собственный фрагмент и становится дефектным. Включение генетического материала в хромосому бактерии реципиента осуществляется механизмом типа кроссинговера. Происходит обмен наследственным материалом между гомологичными участками хромосомы реципиента и материала привнесенного фагом. Различают три вида трансдукции: общую (неспецифическую), специфическую, абортивную. В результате неспецифической трансдукции в реципиентные клетки могут переноситься различные гены бактерии донора. При специфической трансдукции профаг включается в определенное место хромосомы бактерии и трансдуцирует определенные гены, расположенные в клетке донора рядом с профагом ( фаг λ трансдуцирует локус, обуславливающий способность к сбраживанию лактозы).В этом случае при отделении профагов от ДНК хозяина прилегающие к профагу бактериальные гены вместе с ним выщепляются из состава хромосомы, а часть генов профага остаются в её составе. Частота общей трансдукции составляет от 1 на 1млн. до 1 на 100млн. Специфическая трансдукция происходит чаще. Установлено, что фрагмент хромосомы донора, перенесенный в клетку реципиента, не всегда включается в хромосому реципиента, а может сохраняться в цитоплазме клетки, хотя и не размножается. При деление бактерий он попадает только в одну из дочерних клеток. Такое состояние получило название абортивной трансдукции.

Коньюгация. Коньюгацией называется передача генетического материала от одних бактерий другим при их скрещивании. Впервые процесс коньюгации у бактерий обнаружили Д. Леденберг и Э. Татум в 1946г. Они провели классический эксперимент, который заключается в следующем.

Были отобраны два ауксотрофных мутантных штамма Е. coli К-12: неспособный синтезировать метионин и биотин штамм Met¯ Bio¯ и неспособный синтезировать треонин и лейцин штамм Thr¯ Leu¯ . Оба штамма в течение ночи выращивали вместе на полноценной среде. Затем смешанную культуру центрифугировали, отмывали от полноценной среды и высевали на минимальной питательной среде без добавления метионина, биотина, треонина и лейцина появились прототрофные колонии Met+ Bio+ Thr+ Leu+ с частотой около 1 на каждые 10⁷ родительских клеток. Дополнительные эксперименты показали, что ни трансформации, ни трансдукции в данном случае не происходило. Из этого следовало, что образование рекомбинантных геномов бактерий происходило в результате контакта родительских клеток.

В 1952г. Хейс установил неравноценную роль родительских штаммов при коньюгации. Выяснилось, что один штамм является донором (мужским), а другой – реципиентом (женским). Клетки-доноры обладают половым фактором F. Он является коньюгативной плазмидой и представляет собой циркулярно замкнутую молекулу ДНК. Половой фактор F автономно существует в цитоплазме. Бактериальные клетки с фактором F обозначаются F+, не имеющего его – F-.Они неспособны быть донорами и являются реципиентами генетического материала.

При коньюгации клетки-доноры F+ или Hfr соединяются с клетками- реципиентами F- при помощи коньюгационного мостика – особой протоплазматической трубки, образуемой клеткой F+. В клетке донора Hfr под влияием фермента эндонуклеазы в точке внедрения фактора F происходит разрыв цепи ДНК. Свободный конец одной из цепей ДНК постепенной начинает передвигаться через коньюгационный мостик в клетку реципиента (F-) и сразу достраивается до двухцепочной структуры. На оставшейся в клетке-доноре цепи ДНК синтезируются вторая цепь. Для переноса всей цепи ДНК в клетку реципиента требуется при 37°С 90 – 100мин, но коньюгационный мостик очень хрупкий, легко разрывается и, как правило, вся цепь не успевает перейти. Поэтому и фактор F обычно не передается, так как располагается в конце хромосомы. С более высокой частотой передаются гены, расположенные около начальной О-точки хромосомы донора. Затем ДНК донора в гомологичных участках вступает в контакт с ДНК реципиента и в результате кроссинговера некоторые участки одной цепи ДНК реципиента заменяются фрагментами ДНК донора.

При коньюгации половой фактор вместе с фрагментом ДНК иногда переходит в женскую клетку, превращая ее в мужскую и передавая ей свойства, контролируемые фрагментом хромосомы донора. Процесс переноса генетической информации при помощи полового фактора называется сексдукцией.

Плазмиды. Кроме половых факторов, которые участвуют в скрещивании, большинство бактерий содержит также другие хромосомные элементы, называемые плазмидами. Они представляют собой кольцевые молекулы ДНК, обладают свойствами репликона: могут реплицироваться с помощью ферментов клетки бактерии независимо от основной хромосомы. Маленькие плазмиды включают 10-30 тыс. пар оснований, и в клетке имеется их от 10 до 100 копии. Большие плазмиды содержат до 100 тыс. пар оснований, но в клетке они представлены одной – двумя копиями.

Контрольные вопросы: 1. В чем преимущества микроорганизмов как объектов генетических исследований? 2.Понятие о генотипе и фенотипе бактерий. 3. Чем отличаются вирусы от бактерий? 4. Назовите отличия в генетической организации прокариот и эукариот. 5. Какими путями передается генетическая информация у бактерий. 6. Что такое сексдукция?

Лекция 11

Тема: Генетическая инженерия

Вопросы:

1. Получение и клонирование генов.

2. Векторы. Рекомбинантные молекулы ДНК.

3. Введение в клетку рекомбинантных ДНК и синтез чужеродного белка. 4. Соматическая гибридизация.

5. Использование достижений генной инженерии в животноводстве.

1. Получение и клонирование генов. Генетическая инженерия является новой отраслью молекулярной биологии, которая разрабатывает способы создания лабораторным путём генетических структур и получение наследственно изменённых организмов. Возникновение г. и. связано с прогрессом в развитии генетики, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии. Это понятие более широкое,т.к. включает клеточную энзимологию по сравнению с генной инженерией.

Генная инженерия решает задачи: 1. Получение генов путём их синтеза или выделения из клеток. 2. Получение рекомбинантных молекул ДНК. 3. Копирование или размножения выделенных или синтезированных генов или генетических структур. 4. Введение в клетку генов или генетических структур и синтез чужеродного белка.

Получение генов: 1 Химическим путём. 2. Ферментативным путём 3. С помощью трансдуцирующих фагов. Впервые в 1969 г. в Америке Корано с сотр. Синтезировали ген аланиновой тРНК дрожжей химическим путём. Ген включал 77 пар нуклеотидов,соединённых в определенной последовательности ( лигазой) из фрагментов длиной 5-12 нуклеотидов. При введении в кишечную палочку или без клеточную среду ген не работал, т. к. не включал регуляторных элементов (промотора и терминальных концов). В 1976 г. по той же методике они синтезировали отрезок ДНК кишечной палочки, включавший ген супрессорной тирозиновой тРНК протяжённостью в 126 пар нуклеотидов с примыкающими к нему промотором -52 и терминатором – 21 парой нуклеотидов. К концам отрезка присоединили тетрануклеотиды ААТТ и ТТАА. При введении в кишечную палочку ген работал. Однако,этот путь трудоёмок и сложен, им синтезируют только короткие гены.

Ферментативный способ. В 1970 г. Темин, Балтимор, Мазутани обнаружили фермент обратную транскриптазу – ревертазу. В 1972 г. было открыто, что с помощью ревертазы некоторые онкогенные вирусы могут синтезировать ДНК, используя в качестве матрицы РНК. Затем установили, что матрицами для образования копий ДНК могут служить не только РНК онкогенных вирусов, но и др. РНК, даже синтетические полирибонуклеотиды. Это открыло принципиальные возможности ферментативного синтеза любых генов, используя их РНК копии. Под ферментативным синтезом имеют в виду транскрибирование комплементарной нити ДНК на молекуле РНК в пробирке.

Синтез генов с помощъю трансдуцирующих фагов. В конце 40- х годов прошлого века Чаргафф и Хотчкис показали, что ДНК содержит в небольшом количестве, так называемые минорные основания (5 – метилцитозин, 6 – метиламинопурин), их примерно 0,1% от всех оснований в кишечной палочке. Минорные основания образуются в результате метилирования ( добавления CH₃) цитозина и аденина после завершения репликации. С помощью метилазы бактерия метит ДНК созревших в ней фагов. Если в бактерию проникает фаг без прометилированных участков, то ферменты бактерии рвут ДНК фага на части и она становится не активной. Предполагалось, что эти ферменты узнают ту же последовательность нуклеотидов в ДНК, что и метилаза. Было выяснено, что такими ферментами являются рестриктирующие эндонуклеазы ( рестриктазы). Было выяснено, что участок ДНК который узнаёт эндонуклеаза включает специфическую последовательность из 4-6-8 пар оснований – палиндром- последовательность которая считывается одинаково в обоих направлениях, начиная с 3' конца каждой цепи. Например, рестриктаза E. co .R 1 узнаёт последовательность Г'ААТТ'Ц и режет её симметрично. Если ДНК была кольцевая, то становится линейной. Если на однонитевом участке, разрезанной ДНК, концы имеют последовательность АААА или ТТТТ, то такие концы называют липкими и они без дополнительной обработки с помощью ДНК –лигазы могут замкнуть разрезанную ДНК снова в кольцо. К настоящему времени открыто более 150 рестриктаз, которые позволяют разрезать молекулу ДНК на любые участки (гены) и снова сшивать её. Открытие ревертаз и рестриктаз, которые взаимно дополнили друг друга, послужило важнейшим событием в развитии молекулярной биологии. Биологи 70-е г. назвали эпохой двух Р. Г. Темин и Д. Балтимор в 1975г. за ревертазу, а А. Арбор, Г. Натанс, К. Смит за рестриктазу в 1979г. получили Нобелевские премии. Указанные ферменты позволили использовать индуцирующие фаги в качестве векторов для создания рекомбинантных молекул ДНК.

2. Векторы. Рекомбинантные молекулы ДНК. Рекомбинантные ДНК – это молекула ДНК искусственно полученная путём объединения фрагментов ДНК различного происхождения, как природных так и синтетических. Целью является включение определённых последовательностей ДНК в вектор для их репликации в клетке хозяина. Молекулы ДНК, способные акцептировать чужеродную ДНК и обеспечивающие её репликацию, а может быть и экспрессию называются векторными молекулами. При обычном введении ДНК в клетку, она подвергается атаке ферментов клетки, которые разлагают её до нуклеотидов. В некоторых случаях она «выживает» в клетке, но в процессе деления она не наследуется и теряется. Для того чтобы рекомбинантная ДНК стала составной частью генетического аппарата клетки, она должна встроится в её генетический аппарат и реплицироватся за её счёт или реплицироваться самостоятельно. Векторы – это устройства для доставки чужих генов в клетки различных организмов, т.е. осуществлять введение в клетку дополнительной генетической информации. К векторам предъявляются требования:

- он должен иметь область чувствительную к определённой рестриктазе, которая разрезает вектор, как правило в одном участке, превращая его кольцевую молекулу в линейную, к которой пришивают ген или гены, затем снова замыкают её в кольцо и рекомбинантную ДНК вводят в клетку;

- вектор должен реплицироватся в клетке;

- в составе вектора должен быть маркёрный ген, который после проникновения вектора в клетку, придаёт ей фенотип, свидетельствующий о присутствии вектора, т.е. вектор должен иметь селективный признак. ( в присутствии гена β - лактамазы бактериальная клетка приобретает устойчивость к пенициллину, и на среде с пенициллином образует колонии клеток , несущих данный ген, обычные клетки на данной среде погибают. Эффективными векторами являются плазмиды – Coli E1, фаги- λ, SV 40 и др.

3. Введение в клетку рекомбинантных молекул ДНК и синтез чужеродного белка. Основным методом введения рекомбинантных молекул в клетки кишечной палочки и др. бактерий является метод трансформации. Для осуществления трансформации разработаны специальные приёмы( высокотемпературное воздействие, обработка CaCl₂ и др). После транформации отбирают клетки с рекомбинантной ДНК путём: тестирования на резистентность к определенным антибиотикам; использования иммунологических тестов или выявления белка- продукта клонированного гена; гибридизации с зондом ДНК, ком\плементарным участку нужного гена. В качестве вектора используют космиды ( векторная плазмида, содержащая cos – сайт ДНК фага лямбда).

Этапы клонирования генов состоят из: рестриктазного разрезаеия ДНК, выделенной из организма, содержащего нужный ген; обработки теми же рестриктазами, которые использовались для разрезания ДНК; смешивания двух образцов ДНК и сшивание фрагментов ДНК- лигазой фага Т- 4; трансформации сшитыми молекулами клеток – хозяев; амплификации рекомбинантной ДНК в трансформированных клетках; отбора клеток с рекомбинантными ДНК вектора для клонирования, который может реплицироватся в клетке хозяина.

4. Соматическая гибридизация. Одно из направлений генетической инженерии. Сущность заключается в соединении лишённых оболочки соматических клеток или их частей с разными хромосомными наборами, т.е. далёких систематически форм ( человека и мыши и др.). Впервые гибриды среди соматических клеток в 1960г. обнаружил Ж. Барский. В культуре клеток двух линий мышей он выявил третий тип клеток, которые содержали хромосомы обеих исходных линий, по морфологическим и биохимическим свойствам клетки занимали промежуточное положение между признаками исходных линий. Спонтанное слияние соматических клеток происходит крайне редко, был найден вирус Сендай ( по фамилии автора), который способствует слиянию клеток. При слиянии двух клеток образуются клетки с двумя ядрами, после митотического деления формируются две одноядерные клетки с набором хромосом исходных родительских форм. Таким путём получают на только клоны гибридных клеток, но и целые растения (гибрид табака и петуньи ). Гибридные клетки могут размножаться длительное время, но межвидовая несовместимость проявляется и при соматической гибридизации, с течением времени в культуре клеток появляются клоны, которые утрачивают хромосомы второго вида, так у гибридных клеток человека и мыши через 100 последовательных делений утрачиваются хромосомы человека.

Использование соматической гибридизации: гибридомная технология получения моноклональных антител, которую разработали в 1975 г. лауреаты нобелевской премии Г. Келлер и К. Мильштейн.

Моноклональные антитела – это иммуноглобулины, синтезируемые одним клоном клеток. Моноклональное антитело связывается только с одной антигенной детерминантой на молекуле антигена.

Гибридомная технология – слияние с помощью полиэтиленгликоля лимфоцитов селезёнки предварительно иммунизированных определенным антигеном организмов с миэломными ( раковыми) клетками, способными к бесконечной пролиферации. Гибридные клетки селекционируют в среде ГАТ ( среда, содержащая гипоксантин, аминоптерин и тидимин). Неслившиеся лимфоциты погибают в любой тканевой культуре. Миэломные клетки на этой среде так же погибают,т. к. они были дефектны по ГГФТ (гипоксантин-гуанозин- фосфорибозилтрансферазе). Отбирают клоны клеток, синтезирующие необходимые антитела, которые можно хранить в замороженном состоянии длительное время. Таким образом гибридомы представляют собой бессмертные клоны клеток, синтезирующие моноклональные антитела. Их используют в качестве диагностических средств против болезней.В терапии моноклональные антитела можно соединять с лекарством,благодаря специфичности антител они доносят это вещество непосредственно к раковым клеткам или патогенным микроорганизмам, что позволяет значительно повысить эффективность лечения. Используют моноклональные антитела против H – Y антигена для определения пола у крупного рогатого скота на предимплантационной стадии развтия, а так же стандартизации методов типирования тканей при трансплантации органов, при изучении клеточных мембран ( так были изучены антигены Т- лимфоцитов). Для построения антигенных карт вирусов, возбудителей болезней.Использование генной инженерии в животноводстве. Перспективно клональное размножение животных клеток для генетических манипуляций, но, в отличие от растительных клеток, взрослый организм из них вырастить нельзя, их используют для получения вакцин, интерферона, для изучения токсичности препаратов. В животноводстве важное направление генной инженерии связано с манипуляцией ранними эмбрионами на основе трансплантации.

Трансплантация- метод ускоренного воспроизводства высокопродуктивных животных путём переноса одного или нескольких эмбрионов от высокоценных животных менее ценным. Технология трансплантации включает: гормональное вызывание суперовуляции; использование быков,оцененных по качеству потомства; извлечение и оценку качества эмбрионов, сохранение и пересадку или криоконсервирование эмбрионов для дальнейшей пересадки. Трансплантацию используют в следующих целях: быстрого создания высокопродуктивных стад устойчивых к болезням; получения идентичных животных путем разделения ранних эмбрионов; сохранения мутантных генов малых популяций и генофонда пород; получение потомков от бесплодных, но генетически ценных по генотипу животных; выявление вредных рецессивных генов и хромосомных аномалий; повышение устойчивости животных к болезням; борьба с болезнями путём замены импорта животных на импорт криоконсервированных эмбрионов; определение пола эмбриона и получение животных определенного пола; межвидовые пересадки; получение химерных животных.

На основе трансплантации , методами эмбриогенетической инженерии в животноводстве получают: трансгенных, химерных животных, осуществляют клонирование и генную терапию.

Трансгенные животные – это животные в геном которых с использованием методов генной инженерии перенесена чужеродная ДНК. Трансгеноз – искусственный перенос генов (или ДНК) из бактериальных клеток в эукариотическую клетку (организм) с помощью трансдуцирующих фагов.

Методология получения трансгенных животных с заданными признаками состоит в следующем: клонированный ген вводят в ядро оплодотворённой яйцеклетки; инокулированные оплодотворённые яйцеклетки имплантируют в реципиентнуюженскую особь; отбирают потомков, развившихся из имплантированных яйцеклеток , которые имеют клонированный ген во всех клетках; скрещивают животных, несущих клонированный ген в клетках зародышевой линии. Трансгенные животные могут быть получены с использованием ретровирусных векторов, методом микроинъекций ДНК, путём использования модифицированных эмбриональных стволовых клеток.Метод микроинъекций ДНК. Для получения трансгенных животных таким методом необходимо: вызвать гиперовуляцию у самок ( используют сыворотку жерёбых кобыл, а потом хорионический гонадотропин человека); скрестить самок с гиперовуляцией с самцами и вымыть у них оплодотворённые яйцеклетки; провести микроинъекцию ДНК в оплодотворённые яйцеклетки; оплодотворённые яйцеклетки ввести « суррогатным матерям». Следующий этап – идентификация трансгенных животных с помощью блот – гибридизации по Саузерену методом ПЦР. Скрещивая трансгенных животных получают трансгенную гомозиготную линию. Однако при использовании этого метода получают всего лишь около 5% жизнеспособных трансгенных животных. При этом ДНК может интегрироваться в разные места генома, у некоторых животных трансген не эспрессируется.

Метод модификации эмбриональных стволовых клеток. У мышей клетки, взятые на стадии бластоцисты, могут дифференцироваться в любую ткань. Эти клетки называются эмбриональными стволовыми клетками ( ЕS) . Эти клетки у мышей ( стадия бластоцисты) можно генетически модифицировать, встроив в них функциональный трансген. Потом ES – клетки микроинъецируют в бластоцисту реципиента, которую имплантируют в матку « суррогатных» матерей. Трансгенные птицы: Из бластодермы выделяют клетки, трансфицируют их нужным трансгеном и вводят в подзародышевую область облучённой ( лучами рентгена) бластодермы. Получают некоторое количество особей, несущих трансфекцию в клетках зародышевой линии. Последние могут стать родоначальниками трансгенных линий. Трансгенных кур можно использовать для получения высокогомозиготных линий по устойчивости к вирусным инфекциям, кокцидиозу, с высокой конверсией корма, с низким уровнем жира и холестерина в яйце и т. д. Трансгенные овцы, козы и свиньи. Одной изважных задач моекулярной биотехнологии является создание трансгенных животных –« биореакторов» для получения нужных белковых продутов, в т. ч. для медицины. Были созданы трансгенные овцы и козы, способные секретировать в молоке белки человека. Имеются овцы с повышенной скоростью роста шерсти ( кДНК овечьего инсулиноподобного фактора роста 1 поместили под контроль мышиного промотора гена кератина с высоким содержанием серы, в результате наблюдалась гиперэспрессия кДНК). В геном свиньи введена генетическая конструкция: регуляторная область гена β - глобина человека, два гена α₁ - глобина человека и один ген β^А - глобина человека. У трансгенных свиней в клетках крови синтезировался в большом количестве человеческий гемоглобин, после очистки его можно использовать для замены крови. От трансгенных овец и коз получают молоко с α₁ - антитрипсином человека, фракционируют белки молока и выделяют чистый ААТ белок человека. Однако получение трансгенных животных пока мало эффективно, только у 5% животных экспрссируется ген человека, из них половина самок,человеческий белок секретируется у малого количества животных. Для повышения эффективности трансгенных животных необходимо клонировать. Особенно перспективно можно использовать трансгенных коров для получения с молоком нужного продукта в необходимых количествах, например человеческого инсулина, белка С, использующегося для предотвращения тромбообразования, фактора IX ( фактора Кристмаса) каскадного механизма свёртывания крови.который необходим больным гемофилией людям.

Химерные животные. Химера – организм, включающий клетки, ткани и органы разных организмов. Польский эмбриолог А. Тарковский разработал метод получения химер ( аллофенных животных) путём слияния различающихся по генотипу эмбрионов (агрегационный метод), английский эмбриолог Р. Гарднер предложил инъекционный метод, предусматривапющий внесение в эмбрионы клеток от другого организма. Мозаицизм у химер наблюдается только в одном поколении, а их потомки не являются мозаиками. Получены межвидовые химеры овцы ( 2n= 54) и козы (2n=60), получен теленок – химера из четырёх половинок двух разных 5- дневных эмбрионов. Масть у телёнка была как у швицкой и голштинской пород, что служит доказательством химеризма. Изучение химер позволит проследить процесс реализации генома в фенотипе животных. Эффективность- в эксперименте из 24570 овоцитов было получено только два телёнка.

Клонирование млекопитающих. Клонирование – совокупность методов, использующихся для получения клонов, путём пересадки ядер соматических клеток в оплодотворённое яйцо с удалённым пронуклеусом, что указывает на плюрипотентность дифференцированных клеток. В 1997 г. Уилмут с сотр. Клонировали овцу Долли методом переноса ядра эпителиальной клетки молочной железы от 6 - летней овцематки породы финский дорсет. Выращивая в культуре клетки, индуцировали их переход в стадию G₁ (критическую). От овцематки шотландской черноголовой породы были взяты яйцеклетки, из которых удалили ядра. В энуклеированные яйцеклетки инъэцировали ядра и воздействовали жэлектрическим разрядом. В культуре клеток или в яйцеводе, с наложенной лигатурой, их культивировали 7 дней, а потом эмбрионы в стадии бластоцисты имплантировали в «суррогатную мать). В эксперименте из 434 яйцеклеток была получена только одна овца Долли, генетически идентичная донору породы финский дорсет. Клонирование животных путём переноса тотипотентных дифференцированных клеток иногда ведёт к снижению жизнеспособности. Не всегда клоны являются точной копией донора из –за изменений наследственного материала и влияния условий внешней среды, варьирует живая масса, темперамент и др.

Генная терапия. Генная терапия направлена на коррекцию генетических дефектов только соматических клеток, поэтому такую процедуру необходимо проводить в каждом поколении. Генная терапия ex vivo предусматривает: получение клеток от больного; исправление генетического дефекта с помощью переноса нужного гена в изолированные клетки; отбор и размножение генетически « исправленных» клеток; инфузия или трансплантация таких клеток пациенту. Генная терапия in vivo предусматривает доставку « терапевтического» гена в клетки ткани пациента. Для этих целей используют вирусные системы доставки: ретровирусные векторы, аденовирусные векторы, векторы на основе аденоассоциированных вирусов, векторы на основе вируса простого герпеса.

Не вирусные системы доставки генов в клетки пациентов: прямое введение путем инъекции ДНК- конструкции в клетки- ткани мишени, в дальнейшем возможно использование в качестве вектора искусственных хромосом, содержащих теломеры, центромеру и точки инициации репликации; использование небольших олигонуклеотидов, способных гибридизироваться с мРНК или специфическим геном, снижая уровень транскрипции или трансляции и уменьшая количество синтезируемого белка (при раке, воспалении, вирусных и паразитарных инфекциях), когда наблюдается гиперфункция нормального белка.

«Антисмысловые» мРНК, которые могут использоваться в качестве лекарственных средств, связываются с мРНК и подавляют трансляцию кодируемого ею белка. Возможно использование и «антисмысловых» олигонуклеотидов как лекарственных средств для лечения вирусных инфекций, малярии, или частично подавляют экспрессию генов наследственных болезней. Разрабатываются подходы к коррекции генетических дефектов в мутантном гене на нужную пару.

Контрольные вопросы: 1.Что такое генетическая инженерия? 2.Какими методами синтезируют гены? 3. Что такое вектор в генной инженерии? 4. Что такое рекомбинантная молекула ДНК, с какой целью они создаются ? 5. Какими путями вводятся рекомбинантные ДНК в клетку? 6. С какой целью создаются трансгенные животные? 7 Что такое химеры? 8. В чём сущность клонирования и генной терапии

Лекция 13

Тема: Мутационная изменчивость.

Вопросы :

1.Теория мутаций.

2. Типы мутаций и их проявление ( классификация мутаций, генные, хромосомные, геномные мутации).

3. Индуцированный мутагенез и его использование

4. Роль репарирующих систем в мутагенезе.

Теория мутаций. Удвоение генетических структур ( репликация) происходит с удивительной точностью, что приводит к постоянству видов. Однако если бы это происходило всегда, то не было бы генетической изменчивости, не было бы эволюции. В действительности стабильность генетического материала при репликации не абсолютна, действуют факторы внешней среды, которые приводят к его изменению. Генетически стойкие изменения в генах и хромосомах называют мутациями. Процесс возникновения, развития и проявления мутаций называется мутагенезом. Измененный организм – мутантом. Впервые скачкообразные изменения наследственных форм было выявлено русским ботаником С.И.Коржинским, который обосновал мутационную теорию эволюции в своём труде « Гетерогенезис и эволюция , 1899г.).

Мутационную теорию сформулировал Гуго Де Фриз, который ввёл понятие мутация. Основные положения его теории мутаций: мутации возникают внезапно, как дискретные изменения признака; новые формы стабильны; в отличие от ненаследственных изменений мутации не образуют непрерывных рядов не группируются вокруг какого- либо среднего типа. Они являются качественными изменениями; мутации проявляются по разному, могут быть как полезными, так и вредными; вероятность обнаружения мутаций зависит от размера выборки исследуемых особей; сходные мутации могут возникать неоднократно. Г. ДЕ фриз ошибался, полагая, что мутации могут сразу давать начало новым видам. минуя естественный отбор. Экспериментальное подтверждение скачкообразности наследственных изменений получил В. Иоганнсен, изучая количественные признаки в чистых линиях фасоли.

3.Классификация мутаций. Мутации классифицируют: по отношению к направлению эволюции; по характеру выражения признака; по локализации в клетке; по степени вовлечения генома в мутационный процесс; по характеру источника вызывания мутаций; по локализации в организме; по уровню проявления в системе клетки и организма; по направлению мутирования в отношении исходных форм. Основной классификацией считают классификацию по степени вовлечения генома в мутационный процесс в которой выделяют: генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации. Генными или точковыми мутациями называют изменения структуры молекулы ДНК на участке определённого гена ( в определённом локусе), в результате которых из существующего аллеля образуется новый. Механизм генной мутации можно свести к нескольким главным случаям: замещение одного пурина или пиримидина из пары другим ( транзиция); замещение пурина пиримидином и наоборот ( трансверсия); утрата или приобретение новой нуклеотидной пары (делеции или вставки). Единицей мутации служит нуклеотид. Ген ( структурный ген), напротив, обозначается как сумма нуклеотидных пар, контролирующих синтез определённого белка. В этом случае ген не является единицей функции, мутации и рекомбинации ( Иоганнсен, 1903). Безнер (1955) разграничил эти понятия, обозначив их как: цистрон -единица функции, мутон – ед. мутации и рекон- ед. рекомбинации. Старое понятие ген больше соответствует цистрону, мутон – одному, а рекон одному или нескольким нуклеотидам. В зависимости от от того мутируют ли внутри гена одинаковые или разные нуклеотиды, говорят о гомологичных или гетерологичных аллелях. Внутригенная рекомбинация возможна между гетероаллелными мутантами. Несмотря на эти чёткие различия мы будем, из практических соображений, использовать термин «ген» в общем смысле. Для транзиции существует две возможности, для трансверсии – 4. По стереохимическим причинам транзиции встречаются чаще чем трансверсии. Указанные мутации приводят к усилению, ослаблению или полной утрате функции гена. При делециях или вставках в большинстве случаев происходит утрата функциональной активности гена, поскольку с точки локализации мутации и до конца гена считывание оснований происходит ошибочно, а в случае нонсенс кодо на образование полипептидной цепи прекращается. Наряду с транзициями и трансверсиями различают инверсии (поворот на 180⁰ ) и транспозиции- перенос пар оснований на новое место. Генные мутации,как правило, рецессивны, за исключением Х – хромосомы у гетерогаметных особей. Фенотипическое проявление мутации зависит от того на каком участке произошла вставка или выпадение нуклеотидов. Если вблизи промотора, то транскрибируется сильно измененная иРНК, транслируется испорченная полипептидная цепь белка и белковая молекула не выполняет свои функции- инактивируется. Если мутация затрагивает конечный участок, это не приводит к инактивации молекулы, но влияет на качество белка и приводит к изменению признака или свойства. По характеру влияния на транскрипцию и трансляцию выделяют: миссенс – мутации ( транзиции, трансверсии). В результате изменяется физиологическая роль белка, что создаёт фон для естественного отбора; нонсенс- мутации- внутри гена появляются терминирующие кодоны, что приводит к прекращению трансляции; сдвиг рамки считывания- возникает при появлении внутри гена вставок и делеций, что приводит к изменению смыслового состава гена. Многие качественные признаки обусловлены спонтанными генными мутациями (летальные факторы, наследственные аномалии). Они характеризуются простым менделеевским типом наследования. Генные мутации могут возникать как в одном, так и в нескольких генных локусах хромосомы. В этом случае возникают новые аллели данного гена, происходит мутационное изменение фенотипического проявления признака, возникает множественный аллелизм. Например, глобин- замена одной из 300 аминокислот обуславливает новый тип гемоглобина, которых около 300. Множественный аллелизм определяют методом определения критерия аллелизма: если при скрещивании двух мутантов F ₁ в F₂ расщепление 3 : 1- множественный аллелизм, 9 : 7 мутировали разные гены.

Хромосомные мутации. Изменения кариотипа могут быть количественными, структурными и одновременно и теми и другими.

Структурные мутации хромосом ( аберрации ). Эта группа мутаций связана с изменениями формы, размеров хромосом, порядка расположения генов ( изменение групп сцепления ), утратой или добавкой отдельных фрагментов и т. д. Характер хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хромосомы в момент воздействия мутагенного фактора. Если хромосома находится в состоянии одной нити ( G₁, анафаза и телофаза митоза), то в последующий период ( S) она удваивается и аберрация сохраняется в обеих хроматидах ( хромосомные аберрации). Если мутаген действует на хромосому, находящуюся в состоянии одной нити (S, G₂ интерфазы, профазы и метафазы митоза) аберрация может произойти в одной хроматиде, в этом случае возникают хроматидные перестройки. Установлено несколько типов структурных мутаций хромосом:

Межхромосомные аберрации – транслокации – перемещение отдельных фрагментов хромосом из одного участка в другой, обмен фрагментами между разными хромосомами, слияние хромосом. При взаимных обменах фрагментами между гомологичными и не гомологичными хромосомами возникают реципрокные транслокации. Если целое плечо одной хромосомы присоединяется к концам другой хромосомы, то образуется тандемная транслокация. Слияние двух акроцентрических хромосом в области ценромер формирует транслокацию Робертсоновского типа. При этом образуются мета или субметацентрические хромосомы. Различают 3 варианта возникновения тРт: реципрокный- большая часть плеча одной хромосомы присоединяется к короткому плечу другой хромосомы; разрыв центромер двух хромосом; разрыв коротких плеч двух хромосом и объединение длинных плеч с обеими центромерами. Транслокации не изменяют число генов в данном генотипе и не всегда проявляются в фенотипе, но у особей гетерозиготных по транслокации нарушается конъюгация гомологичных хромосом и образуются не жизненные гаметы. Транслокации широко распространены среди животных. С ними связывают интерсексуальность, недоразвитие гонад, пороки развития, бесплодие. У КРС описаны 17 различных сочетаний тРт, чаще 1⁄ 29, которая зарегистрирована у 30 пород. У мышей отмечен положительный эффект тРт, мыши быстрее находили выход из лабиринта, это объясняется конкретным эффектом положения гена.

Внутри хромосомные аберрации ( делеции, дефишенси, дупликации, инверсии, фрагментации).

Делеции (Dl) – выпадение участка хромосомы в средней её части, содержащий комплекс генов.

Дефишенси – выпадение концевого участка хромосомы – концевая нехватка. Если делеция или дефишенси захватывают небольшой участок это приводит к изменению признака ( жёлтое тело и белые глаза у дрозофилы) Крупные делеции летальны. Крупная делеция (Dl 21) у человека вызывает тяжёлую форму белокровия.

Дупликации (Dp) – удвоение участка хромосомы, которые возникают в результате неравного кроссинговера, или как следствие амплификации генов. ОбычноDp не оказывают сильного влияния на фенотип особи, но увеличение дозы гена может вызвать изменение признака ( Bar – полосковидные глаза у дрозофилы).

Инверсии ( In) – переворот фрагмента хромосомы на 180 ^{0 .} Различают пара и перицентрические инверсии, последние в перевернутом фрагменте содержат центромеру. Материал хромосомы при In не изменяется, но в мейозе, в следствии аномальной конъюгации хромосом возможно возникновение до 50% неполноценных гамет, что приводит к стерильности; In подавляет кроссинговер, что содействует снижению уровня генетической рекомбинации, вызывает значительные изменения положения генов, что может привести к летальному исходу при их гомозиготном состоянии; способствует дифференцировке видов, их обособлению в процессе эволюции.

Фрагментация ( F) – происходит в результате разрыва хромосом или хроматид в нескольких местах одновременно, и образования отдельных фрагментов с потерей тех из них, которые не содержат центромеры. Как правило F приводит к летальному исходу.

Кольцевые хромосомы возникают при наличии двух дефишенси ( концевых нехваток).

Изохромосомы возникают когда в противоположность нормальному делению хроматид в длину, происходит горизонтальное поперечное деление хромосомы в центромере с последующим слиянием гомологичных плеч в новую хромосому – изохромосому, проксимальные и дистальные концы которой идентичны по составу генов.

Геномные мутации или мутации плоидности.

Наряду со структурными могут быть и количественные изменения хромосом. Геномными называют мутации, при которых происходят количественные сдвиги в хромосомном наборе клетки независимо от того, идет ли речь об изменеии числа хромосомных наборов или числа отдельных хромосом. Все количественные отклонения от нормы в гаплофазе или диплофазе объединяют понятием гетероплоидии, в противоположность гомоплоидии (исходная ситуация). Гетероплоидия встречается в форме эуплоидии или анеуплоидии.

Эуплоидии. Эуплоидными считаются клетки или особи, имеющие полные наборы хромосом одинаковые во всех клетках, а так же те, в которых отмечается увеличение численности хромосомных наборов в целое число раз. Число хромосом в гаплофазе, т.е. наименьшее гаплоидное число хромосом каждого полиплоидного ряда называется основным ( n или х у Бакая). К эуплоидиям относят гапло, поли, аллоплоидию ( гапло, ди, три, тетраплоиды), т.е. когда хромосомный набор представлен целым числом раз.

Гаплоидия. Гаплоидные формы возникают в результате нарушения процесса оплодотворения, когда в этом процессе не участвует мужская гамета ( истинный партеногенез), либо эта гамета генетически неактивна (гиногенез), при элиминации материнского хромосомного набора развивается зигота с отцовским набором (андрогенез). У истинно гаплоидных животных развитие во всех случаях быстро останавливается, часто на первых стадиях дробления, в этих случаях часты случаи недоразвития и уродств.

Полиплоидия – геномные мутации обусловленные, кратным гаплоидному,изменением числа хромосом ( четное – ортоплоидия , нечетное – анортоплоидия) число раз. Полиплоидия может возникнуть: из-за нарушения митоза в результате которого происходит неравное расхождение хромосом в анафазе, отсутствии цитокинеза, нарушений функций митотического аппарата; в результате образования и слияния при определенных условиях нередуцированных гамет, образовавшихся при нарушении мейоза; за счёт митотического деления зиготы или соматических клеток в начальные периоды онтогенеза. В зависимости от того в каких клетках происходит изменение числа хромосом различают соматическую, мейотическую или зиготическую полиплоидию. Чаще всего полиплоиды возникают либо в результате слияния нередуцированных гамет (мейотическая ), либо в результате нарушения первого деления зиготы ( зиготическая). Различают спонтанную индуцированную полиплоидию. Полиплоидия сыграла большую роль в эволюции и селекции растений. Более половины цветковых растений обязаны своим происхождением полиплоидии. В естественных условиях полиплоидия была обнаружена среди абортных субстратов как у животных так и человека. У некоторых видов птиц удавалось вырастить взрослый организм из триплоидной зиготы. Возможно, что животные, которым свойственно половое размножение, не способны компенсировать те нарушения хромосомного генетического баланса, которые возникают при полиплоидии.

Аллоплоидия. Если в диплофазе хромосомные наборы гомологичны, морфологически и генетически идентичны ( в плоть до аллельных различий в локусе) и способны конъюгировать в мейозе, то говорят об аутоплоидии.

Аллоплоидией называют возникновение структурно и генетически неидентичных хромосомных наборов с ограниченной или нарушенной способностью к конъюгации. Аллоплоиды – продукт гибридизации двух видов с не гомологичными геномами. Понятия ауто и аллоплоидия охватывают главным образом морфологические критерии, например, комбинации геномов с одинаковыми или различными основными числами, но различной хромосомной структурой. Критериями служат фертильность и стерильность. Примером амфидиплоидии служит аллотетраплоид - золотистый хомячок ( обыкновенный хомячок 2n =22 x полосатый 2n=22 ) у которого 2n=44. Фертильность или стерильность гибрида определяются степенью сходства между родительскими видами. Если любая хромосома гаплоидного набора встречает гомолога, то гибрид оказывается фертильным ( домашняя собака x волк или шакал ). Гибриды фертильны и тех случаях, когда родительские геномы различаются лишь по одной транслокации (домашняя свинья и европейский кабан, лошадь и лошадь Пржевальского) или инверсии ( Bos Taurus x Bos indicus).

Если геномы различаются по большему числу транслокаций или инверсий происходит снижение фертильности вплоть до стерильности. Зародышевые клетки погибают либо у обоих полов либо у гетерогаметного пола на стадии зиготы ( лошадь x осел), у мула 31 хромосома осла и 32 хромосомы лошади. Если у гибрида 2n= 62 – гибрид фертильный. Для подобных скрещиваний справедливо правило Холдейна ( 1922) « При скрещивании двух видов или пород животных отсутствующими, редкими или стерильными оказывается гетерогаметный пол». Домашняя курица x фазан - в потомстве только самцы ( Ямашина, 1943).

Анеуплоидия. Это случаи, в которых число гаплоидных наборов изменено не в целое число раз ( гиперплоидия или гипоплоидия). Принято цифрой внизу указывать номер хромосомной пары кариотипа, в которой изменилось число хромосом ( 2n – 1₇).Истинная анеуплоидия возникает при нарушении мейоза и состоит в том, что две гомологичныве хромосомы либо совсем не конъюгируют в зиготенной стадии (асинапс) либо между ними не образуется перекрест (десинапс). Не конъюгированные или преждевременно разошедшиеся хромосомы ведут себя как униваленты, т.е. в анафазе 2 деления мейоза распределяются между полюсами случайным образом, отходят либо к одному либо к разным полюсам. Процесс митотического нерасходения аналогичный мейотическому ведет к полисомии более или менее обширных участков тканей, т.е. образованию мозаиков. Гетероплоиды встречаются у животных только в случаях уменьшения или увеличения мелких хромосом. Изменения крупных хромосом вносят очень серьёзные изменения в процесс развития организма, организм как правило погибает.

Анеуплоидии делятся на гоносомные и аутосомные. К гоносомным гетероплоидам относится трисомия xxy и моносомия xo. В общем виде синдром Клайнфельтера можно выразить формулой 2А + _n X + m Y, где n и m независимые переменные с пограничными значениями для n =1…4 для m 0…2. Первым обнаруженным случаем аутосомной трисомии по 21 хромосоме был синдром Дауна. О подобных явлениях у животных сведений очень мало. У КРС описаны трисомии по18 и 19 хромосомам сопровождающиеся укорочением костей верхней челюсти и врожденным асцитом. Выявлена связь между карликовостью и трисомией по 21 хромосоме. У человека описана трисомия по 13 хромосоме – синдром Патау ( частота 1 : 5 – 7000 ), сопровождающаяся ранней смертностью, пороками головного мозга, внутренних органов, полидактилией

3. Индуцированный мутагенез и его использование.Индуцированный мутагенез позволяет наиболее полно выявить возможности генотипа, создать генетические комбинации с учетом всех возможных изменений органов, признаков и свойств у данного вида. Мутации имеют исключительно важное значение при составлении генетических карт хромосом. Индуцированные мутации впервые были получены в 1925 г. в Ленинградском радиевом институте Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповыи на дрожжевых грибах. Большая заслуга в развитии химического мутагенеза и создании химических супермутагенов принадлежит отечественному учёному И. А. Рапопорту. Мутагены,вызывающие индуцированные мутации, подразделяются на три группы: физические, химические, биологические.

Физические мутагены. Основные мутагены этой группы6 ультрафиолетовые лучи, повышенная температура, ионизирующие излучения. Ультрафиолетовые лучи способны непосредственно отдавать энергию ДНК, в результате чего в ней происходят различные изменения, которые приводят к неправильной репликации и мутациям.

Ионизирующие излучения вызывают мутации путём прямой ионизации облучаемой ткани либо опосредованной ионизацией., что приводит к изменению в структуре ДНК – разрывам хромосом, сшивкам нитей спирали ДНК и т. д. При этом возникают первичные изменения, которые мешают нормальной репликации ДНК. Под действием ионизирующих излучений чаще всего возникают структурные перестройки хромосом и реже генные мутации. Использование излучений позволило создать высокопродуктивные сорта злаков ( ячмень), повысить эффективность антибиотиков и других соединений, продуцируемых микроорганизмами. Следует подчеркнуть, что ионизирующие излучения могут нарушить деление соматических клеток, что приводит к нарушениям и злокачественным образованиям.

Химические мутагены. Выраженными мутагенными свойствами обладают отдельные химические вещества, используемые в промышленности и сельском хозяйстве. Наиболее сильные из них: аналоги нуклеотидов ДНК ( бромурацил, аминопурин) акридиновые красители.

4. Репарация. Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления повреждений молекулы ДНК называется репарацией. Известны:

-фоторепарация ( фотореактивапция) протекающая под действием видимого света и фотореактивирующего фермента.Устраняются димеры Тимина, возникающие под действием ультрафиолетовых лучей. Свет активирует молекулу фермента она отделяется от тимина, разъединяя димер.

- темновая репарация – репарация в молекуле ДНК путём механизма « вырезания – застройки», протекает с помощью нескольких ферментов, под действием которых последовательно происходят: надрезание, выщепление, расширение бреши, репаративная репликация и сшивание концов ДНК. Оба механизма репарации устраняют дефекты в основном до репликации ДНК.

- эксцизионная репарация протекает следующим образом: при утере основания может быть восполнена по комплементарной матрице либо ферментом инвертазой, либо путем разрыва дефектной цепи (инцизия), вырезания фрагмента, репарационной застройки бреши и замыкания цепи; при замене, модификации основания и структурном дефекте репарация происходит одинаково: разрезается одна цепочка вблизи дефекта специфичной эндонуклеазой, идет застройка бреши с помощью репарационной ДНК- полимеразы, затем идет замыкание цепи ферментом лигазой. Повреждённые молекулы ДНК могут реплицироваться и производить такие же поврежденные участкиДНК. Однако после репликации число поврежденных участков уменьшается в следствии их замены фрагментами взятыми от не поврежденных молекул. Мутагены действуют не непосредственно на ДНк, а через компоненты систем репликации, рекомбинации, репарации.

Контрольные вопросы: 1. Что такое мутация и мутагенез? 2. Какие классификации мутаций вы знаете? 3. Что такое генные мутации? 4. Какие типы хромосомных аберраций вы знаете? 5. Чем отличаются поли и гетероплоидии? 6. Какое значение имеет индуцированный мутагенез? 7. какие репарационные системы имеет клетка?

Лекция 15

Тема: Основы физиологической и биохимической генетики.

Вопросы: 1.Иммуногенетика – наука о генетическом полиморфизме антигенного состава клеток животного. 2. Группы крови. Иммуногенетический контроль за структурой популяции. 3. Генетический полиморфизм белков и ферментов и его использование в селекции.

1.Иммуногенетика – наука о генетическом полиморфизме антигенного состава клеток животного. Открытие Ландштайнером в 1900 г. групп крови у человека ( А В О ) и объяснения В 1924 г. Бернштейном типа их наследования стало отправной точкой для проведения иммуногенетических исследований.

Основой для данных исследований служат наследственные различия между организмами выраженные в генетическом полиморфизме белков иммунных систем. Генетический полиморфизм – это наличие в популяции одновременно нескольких аллельных состояний гена конкретного локуса, определяющего формирование разных фенотипов данного признака. Термин « полиморфизм» ввёл Форд в 1945 г. применительно к различным признакам обусловленных наследственностью.

Изучение генетического полиморфизма осуществляется в двух направлениях: использование иммунологических методов привело к формированию иммуногенетики ( в узком значении); использование биохимических методов привело к формированию раздела генетики – биохимический полиморфизм белков и ферментов. И то и другое направление отражают особенности аллельного состояния гена, обуславливающего синтез белка, что приводит к формированию определенного генотипа особей по полиморфным системам. Собственно иммуногенетика изучает наследственную обусловленность взаимоотношений антиген – антитело для выявления у животных различных систем групп крови в зависимости от антигенного состава эритроцитов, лейкоцитов и наличия белков антигенов в плазме крови, а так же тканевой несовместимости, связанной с антигенами клеток. Указанные исследования широко используются для изучения: иммунологической совместимости крови между донором и реципиентом при пересадке органов, тканей, зигот; иммунной совместимости гамет при оплодотворении; установления изменений иммунитета в процессе онтогенеза; толерантности; патологического образования антител против своих антигенов; антигенного контроля за правильностью происхождения; использования антигенов как генетических маркеров для раннего прогнозирования продуктивности животных.

2.Группы крови. Иммуногенетический контроль за структурой популяции. Изучение групп крови у сельскохозяйственных животных ведется по двкм направлениям. Под влиянием открытий Ландштейнера для установления антигенных факторов применялись сначала естественные антитела, а затем иммунные. Для определения антигенных различий на базе естественных антител было проведено много исследований, было установлено, что реакция на естественные антитела слабая, и не дает возможности проводить точную классификацию особей, перешли к иммунным антителам, используя методы изо – и гетероиммунизации для изготовления специальных сывороток. В организме животного присутствует огромное количество антигенов, каждый из них имеет генетическую обусловленность и связан с действием отдельного гена. Антигены образуются на эритроцитах ( мы будем изучать только их) в эмбриональный период и не изменяются в течение всей жизни, поэтому они служат пожизненным показателем генетической структуры организма по тому или иному локусу. Антигены наследуются кодоминантно, что позволяет по фенотипу судить о генотипе, это облегчает наблюдение за передачей антигена от родителей потомку. Антигены, по которым особи одного вида различаются между собой называются аллоантигенами. Антигены подразделяются на видовые (неспецифические) и групповые (специфические), присущие отдельным животным данного вида. Иммуногенетика изучает специфические антигены, на основе которых формируются определённые системы и группы крови. Каждый антиген обусловлен действием одного гена, но некоторые антигены представлены группами ( по 2 и более) и наследуются сцеплено. Одиночные или сцеплено наследуемые в виде постоянного сочетания антигены, которые передаются от родителей потомкам как наследственные единицы, называются группами крови. Совокупность антигенов (факторов крови), контролируемых одним локусом, называют генетической системой групп крови, а сумму всех групп крови одной особи - типом крови. Единая международная номенклатура антигенов и групп крови до сих пор не разработана. Генетические системы групп крови и антигены обозначаются прописными или строчными буквами латинского алфавита, иногда дополняя буквы подстрочными арабскими цифрами или апострофами.

Аллели генетических систем групп крови наследуются по принципу кодоминирования. Весьма редко встречаются рецессивные аллели подобные аллелю О системы А В О у человека, это даёт возможность проводить анализ частоты аллелей разных локусов в популяциях во времени и пространстве, описывать генетическую структуру популяции и лучше понимать эволюционный процесс. Все известные системы групп крови у животных локализованы в аутосомах. Антигены некоторых систем наследуются в определённых комбинациях – феногруппах. Например, сложная система Е у свиней включает 16 антигенов. Феногруппа Ebdg, определяется присутствием антигенных факторов Eb; Ed; Eg. В этом случае аллель записывается E ^bdg . В сложных системах ( у КРС В и С системы) антигенные факторы контролируются несколькими тесно сцепленными сублокусами. Можно выделить три основных правила наследования групп крови:

- каждая особь наследует по одному из двух аллелей от матери и отца в каждой системе групп крови;

- особь с антигенами, не обнаруженными хотя бы у одного из родитеклей, не может быть потомком данной родительской пары;

- гомозиготная особь по одному антигену не может быть потомком гомозиготной особи с противоположным антигеном;

Иммунологическая специфичность белковых антигенов определяется:

- последовательностью аминокислот в полипептидной цепи;

- концевыми аминокислотами цепи;

- вторичной структурой белковой молекулы;

- наиболее активными поверхностно расположенными участками полипептидной цепи – антигенными детерминантами;

Антигены выявляются при помощи реакции антиген – антитело. Основой взаимодействия антиген – антитело служит у КРС и овец реакция гемолиза, у свиней – реакция агглютинации или гемолиза. Реакции проводят с использованием моноспецифических сывороток.

В настоящее время у КРС открыто 12 систем групп крови, у свиней – 17, у овец – 16, лошадей – 9, у птицы – 14. Из всех систем наиболее сложной является В система у КРС, включающая более 40 антигенов, которые в различных комбинациях образуют более 500 аллелей. Если в системе более 3-х аллелей – система называется полиаллельной. К ним у КРС относят системы C, S, A; у свиней E , L , M, у овец B , A , C.

Контроль за достоверностью происхождения животных возможен благодаря: кодоминантному типу наследования антигенных факторов; их неизменяемости в течение онтогенеза; огромному числу комбинаций групп крови.

Контроль достоверности происхождения необходим: при испытании свиноматок, при осеменении их смешанной спермой; при испытании производителей по качеству потомства; при установлении моно или дизиготности двоен; установлению межпородной и внутри породной дифференцировки.

Связь групп крови с продуктивными качествами и резистентностью к болезням основана на: плеотропном действии генов; сцеплении между локусами групп крови или биохимических полиморфных систем и локусами влияющими на продуктивность и резистентность к болезням; гетерозисе, когда гетерозиготность по группам крови и полиморфным системам повышает продуктивность и резистентность; иммунологической несовместимости матери и плода. H-группа крови используется для определения чувствительности свиней к стрессу.

Биохимический полиморфизм белков и ферментов и использование его в селекции. В результате мутаций гены изменяются, поэтому в популяциях они встречаются во многих формах ( множественный аллелизм). Биохимический полиморфизм - это одновременное присутствие двух и более генетических форм одного вида в таком численном соотношении что их нельзя отнести к повторным мутациям. Доля полиморфных локусов точно неизвестна, полагают, что в популяциях многих видов она достигает 25 – 50%. Основными методами изучения полиморфизма является электрофорез. У с-х животных изучено более 150 полиморфных локусов белков крови, молока, спермы, тканей расположенных в аутосомах. Замещение аминокислот в молекуле белка может вызвать функциональные различия полиморфных форм. Например, у человека кроме нормального гемоглобина известно более 50 патологических форм гемоглобина. Хорошо изучен полиморфизм трансферина, церуплазмина, казеина. Использование полиморфных систем белков и ферментов в селекции такое же как и групп крови.

Контрольные вопросы: 1. Что лежит в основе генетического полиморфизма? 2.Какие типы реакций используют при определении круп крови? 3. Что такое генетическая система групп крови, тип крови? 4. Чем отличаются простые, сложные, открытые, закрытые системы групп крови? 5.Какие методы используются для определения типов белков? 6. Как устанавливают истинность происхождения у животных? 7. Какое значение имеют группы крови и полиморфные системы белков и ферментов в селекции животных?

Лекция 16

Тема: Генетика иммунитета, аномалий и болезней.

Вопросы: 1. Генетические основы иммунитета. 2. Аномалии, болезни с наследственной предрасположенностью, особенности их наследования. 3. Профилактика и меры по повышению устойчивости животных к аномалиям и болезням.

Генетические основы иммунитета. Иммунитет – невосприимчивость организма к инфекционным агентам и генетически чужеродным веществам антигенной природы. Способ защиты организма от живых тел и веществ, несущих в себе признаки генетической чужеродности. Главная функция иммунитета – иммунологический надзор за внутренним постоянством ( гомеостазом) организма. Распознание, блокирование и уничтожение вирусов, бактерий, раковых клеток и т. д. За сохранение генетически обусловленной биологической индивидуальности организма отвечает иммунная система организма – совокупность всех лимфоидных органов и скопление лимфоидных клеток.

Центральные органы ( и. с.) – тимус, фабриция сумка (птица) и её аналог у млекопитающих костный мозг, пейеровы бляшки и миндалины. Периферические органы: лимфатические узлы, селезёнка, кровь. Иммунная система и её главные исполнители – лимфоциты обеспечивают специфическую реакцию организма на чужеродные антигены.

К неспецифическим факторам защиты относят кожные и слизистые покровы, фагоциты( нейтрофилы, тканевые макрофаги), естественные иммуноглобулины, систему комплимента( включающую около 20 белков), интерферон, лизоцим, пропердин. Лактоферин и т. д. Неспецифические факторы защиты действуют в широком спектре. Интерферон – противовирусное действие, пропердин – антимикробное, комплимент – бактериологическое действие. В тоже время фагоциты и комплимент участвуют в специфических реакциях. Фагоциты ,кооперируясь с Т и В – лимфоцитами, принимают участие в иммунном ответе. Большинство защитных механизмов организма находятся под генетическим контролем. Предполагают, что содержание лизоцима, комплимента, пропердина наследуются полигенно. Имеются генетические дефекты, ведущие к потере способности нейтрофилов к фагоцитозу. Синдром характеризуется наличием в цитоплазме лейкоцитов больших гранул. У КРС это приводит к частичному альбинизму, светобоязни, повышенной чувствительности к инфекциям. Наследуется синдром как аутосомно-рецессивный признак (учеловека он известен как синдром Чедиака – Хигаши). Синдром – циклическая нейтропения

( снижение числа нейтрофилов, встречается у человека и собак).

Клеточная и гуморальная системы иммунитета. Стволовые лимфоидные клетки, мигрирующие в тимус, превращаются в Т- лимфоциты (Т- клетки), которые ответственны за клеточную форму иммунитета. Лимфоциты, сформированные в сумке Фабриция или её аналога у млекопитающих, становятся В –лимфоцитами, которые ответственны за реализацию гуморального иммунитета, Т- клетки образуют субпопуляции: Т- хелперов, Т- супрессоров, Т- киллеров. Хелперы способствуют превращению В-лимфоцитов в плвзматические клетки, Т- супрессоры блокируют образование антител В- лимфоцитами и участвуют в становлении и поддержании иммунологической толерантности, Т- киллеры разрушают клетки чужеродных трансплантантов и злокачественные клетки. Коопераця Т, В- лимфоцитов, макрофагов приводит к многообразию иммунологических реакций и образованию антител (иммуноглобулинов), антитела и иммуноглобулины – синонимы.

Синтез антител осуществляется в плазматических клетках, которые происходят из В- лимфоцитов. Одна клетка после стимуляции антигена за 1 секунду секретирует около 2 тысяч молекул одной специфичности определённого класса. На поверхности В и Т- лимфоцитов имеются рецепторы иммуноглобулиновой природы, причём на В-лимфоцитах их в сотни раз больше, Рецепторы – макромолекулярные структуры клеточной поверхности с помощью которых клетки узнают антигены. Поскольку синтез и специфичность рецепторов контролируется генетически, поэтому проблема специфических рецепторов одна из центральных в иммунологии, т.к. благодаря им происходит распознавание генетически «своего» и «чужого».

Структура иммуноглобулинов. Иммуноглобулины – семейство белков специфически реагирующих с антигеном, который вызвал их образование. Они анходятся (кроме сыворотки крови) в молозиве, молоке, слюне, секретах кишечника и т. д. У большинства млекопитающих Ig разделяют на 5 классов (G,A,M,D,E,). У всех животных и человека Ig построены их двух цепей длинных, тяжёлых (H) и двух коротких, лёгких (L), соединённых дисульфидными мостиками. Для всех 5 классов лёгкие цепи являются общими, а тяжёлые отличаются в каждом классе по антигенным, иммунологическим и химическим особенностям. Участки тяжёлых и лёгких цепей состоят из вариабельных областей, а концевые участки константны. Цепи Ig образуют петли, возникающие при соединении дисульфидными мостиками аминокислотных остатков внутри цепи. Каждая петля называется доменом. Например, в молекуле Ig кролика 12 доменов, по 4 на тяжёлых и по 2 на лёгких цепях. Ig G расщепляется на 3 фрагмента а, в, с, фрагменты « а»и « в» связывают антиген, а фрагмент « с» отвечает за связывание комплимента, реакцию с макрофагами.

Основной момент в процессе иммунного ответа – узнавание антителом чужого вещества по химическому маркеру. Главная биологическая функция антител – их способность вступать в специфическую и быструю реакцию с антигеном в результате чего образуется комплекс антиген – антитело ( иммунный комплекс), в котором активный центр антитела ( паратоп) связывается с детерминантами антигена ( эпитоп). Эти взаимодействия проявляются в виде реакций аглюцинации, преципитации, лизиса, нейтрализации. Антитела могут усиливать фагоцитарную активность макрофагов (опсонизация). Специфичность иммунитета - антитела действуют только на тот антиген, под влиянием которого они образовались. Организмы имеющие антитела в течение различного времени иммунны против антигена. Следовательно, клеточный и гуморальный иммунитет обладают иммунологической памятью – повторном контакте с антигеном узнавать и отвечать на него иммунологической реакцией. Реакция немедленного типа – астма, анафилаксия. Замедленного типа (при туберкулёзе, бруцеллёзе) – это клеточно – опосредованный иммунологический способ повышенного реагирования на чужеродные вещества. Антитела участвуют в первой форме иммунного реагирования –гуморальном иммунитете. Вторая форма более связана с клеточным иммунным ответом. Предполагают, что Ig могут иметь несколько антигенсвязывающих центров, комплементарных нескольким отличным по структуре антигенам, а многие антитела комплементарны одной антигенной детерминанте. Антитело способно функционировать как антиген. Очень небольшие измения в первичной структуре антител могут вызвать различия в их специфичности.

Гены Ig аутосомны, кодоминантны, несколько генов могут кодировать одну полипептидную цепь. Иммуноглобулины контролируются 3-мя семействами генов: Одно семейство кодирует синтез всех классов тяжёлых цепей. Второе - синтез лёгких каппа ( К) цепей, третье - синтез лёгких (λ) цепей.

У мыши вариабельная часть легкой λ цепи кодируется двумя V – генами, а константная часть – 4 С – генами. V и C-гены называются также V и C сегментами. Перед каждым С- геном находится короткий отрезок ДНК, который называется J – сегментом. Любой V ген может соединиться с любой парой J- сегмент – С –ген. Следовательно, лёгкая λ цепь кодируется V, J, C сегментами. Для лёгкой к-цепи имеется несколько сот V-генов, 4 J- сегмента и один С- ген. Для тяжёлых цепей всех типов существует 100- 500 V-генов, 20D – сегментов, 4 J –сегмента и несколько тесно сцепленных С- генов. В плазматической клетке тяжёлая цепь кодируется сегментами V, D, J, C. Генетически детерминированные варианты Ig, по которым особи внутри вида отличаются друг от друга, называются аллотипы. Каждая молекула Ig имеет не один, а несколько аллотипических детерминант ( или аллотипических маркеров). Имеются ещё две группы антигенных детерминант иммуноглобулинов: изотипы и идиотипы.

Изотипы –это антигенная специфичность, общая для всех особей одного вида. Пять классов иммуноглобулинов являются изотипами.

Идиотипы- это антигенные различия между антителами,принадлежащими к одному классу,субклассу и аллотипу у отдельных особей. Идиотипы одной особи определяются клонами клеток, синтезирующими антитела. Различают простые (до 2 замен) и сложные (более 2-х замен) аллотипы. Гены каждого вида цепи тесно сцеплены, поэтому их аллельные варианты наследуются как единое целое , т.е. аллогруппами ( гаплотипами, группами сцепления).

Известно, что в молекуле Jg или только к – цепь, или только λ – цепь сочетается с любым типом тяжёлых цепей. В гетерозиготных плазматических клетках работает только один из двух аллельных генов V_H и C _H - цепей и один ген из двух лёгкой цепи- аллельное исключение. Поэтоу фенотип клетки может не полностью соответствовать её генотипу, несмотря на кодоминантное наследование. Благлдаря большого числа плазматических клеток в организме встречаются все типы антител в соответствии с его генотипом и любые комбинации материнских и отцовских аллотипов.

Иммунный ответ (иммунологическая реактивность)- высокоспецифическая форма реакции организма на ангтигены. При введении антигена возникает первичный иммунный ответ, вторичный иммунный ответ возникает при повторном введении того же антигена и характеризуется более высоким и быстрым нарастанием антител и обусловлена наличием клеток иммунологической памяти и может сохраняться в течение многих месяцев и даже лет. Иммунный ответ зависит от генотипа организма. Гены, кодирующие иммунный ответ называются генами иммунного ответа ( Ir –гены). Контроль иммунного ответа осуществляется генами путём контроля синтеза Ia – белков (продукты генов I- района МНС). Эти белки на мембране макрофага вступают в ассоциацию с молекулами процессированного (переработанного в макрофаге) антигена. Общее количество Ir – генов неизвестно,они контролируют так же клеточные реакции иммунитета. Во многих случаях иммунный ответ против антигенов наследуется полигенно.

Аномалии, болезни с наследственной предрасположенностью, особенности их наследования. Из практики известно, что от Здоровых животных иногда рождаются потомки с определёнными типами аномального строения или отсутствующими органами и тканями, нарушенными функциями организма. Уже в 18 веке были заложены основы науки тератологии. Учёные стремились выяснить причины появления аномальных особей. В то время считалось, что нарушения в развитии возникают в основном под действием механических факторов. Научные объяснения связи аномалий с наследственностью стали возможны благодаря открытию Г. Менделя и последующему развитию генетики.

Исследователями установлено, что причины возникновения аномалий различны и подразделяются на: генетические; наследственно – средовые; экзогенные.

Генетические аномалии это морфофункциональные нарушения в организме животных, возникающие в результате генных и хромосомных мутаций. Поскольку генные мутации связаны с изменением молекулы ДНК, они могут вызывать широкий спектр аномалий связанных с нарушением морфогенеза органов и тканей на разных этапах онтогенеза.

Изменение числа хромосом в клетках их структуры приводит обычно к прекращению развития эмбриона или рождению особей с тяжелыми пороками развития. Нарушению у животных воспроизводительных функций. Основная роль в этиологии врождённых аномалий принадлежит летальным и сублетальным генам. У человека известно около 2000 аномалий обусловленных ими. У животных так же установлено большое число аномалий. Успешно изучаются хромосомные аберрации и их связь с нарушениями морфофункциональных особенностей организма. Генетические аномалии представляют собой признаки, контролируемые одной парой аллельных генов, для которых основной особенностью наследования является менделеевский тип расщепления, соответствующий доминантным и рецессивным качественным признакам. Если в обеих хромосомах имеются два одинаковых мутантных гена – этого достаточно для появления генетической рецессивной аномалии.

Наследственно средовые аномалии, такие аномалии, проявление которых примерно в равной степени зависит от эндогенных (генотипа) и экзогенных (внешняя среда) факторов. Предполагается, что они контролируются полилокусной системой генов. Фенотипическое проявление этих признаков зависит от количества мутантных генов, которые вызывают эту аномалию. Существует понятие порога действия таких генов, что соответствует их числу или силе кумулятивного действия. Аномалия проявится только тогда, когда действие этих факторов превышает порог. Если эти показатели ниже порога, то животное остаётся нормальным. Внешняя среда оказывает влияние на силу кумулятивного действия генов, а, следовательно, на величину порога. Если внешняя среда ухудшается, то вредный эффект генов усиливается, уровень порога снижается. В некоторых случаях фенотипически сходные аномалии имеют разную генотипическую детерминацию ( генокопии). Это указывает на генотипическую гетерозиготность аномалий. С другой стороны, фенотип генетической аномалии может быть скопирован факторами внешней среды у особей с определённым генотипом (фенокопии). К настоящему времени установлено, что образование фенокопий происходит при одновремённом действии наследственно- средовых факторов. Некоторые учёные объясняют фенокопии более сильной чувствительностью на тератогенные вещества гетерозиготных носителей рецессивных мутаций, а так же совместным влиянием генов модификаторов и факторов среды на разных этапах онтогенеза.

Экзогенные аномалии. Аномалии и пороки развития, вызванные экзогенными факторами, являются не наследственными. Экзогенные факторы, вызывающие тератогенный эффект, делят на три группы: физические, химические и биологические. Тератогены одновремённо могут быть и мутагенами. Необходимо различать: если повреждающий фактор действует на генетический аппарат – мутация; на зрелые соматические клетки – соматическая мутация; не зрелые эмбриональные клетки – тератогенный эффект.

Основным методом генетического анализа врождённых аномалий является семейно- групповой в пределах одного или нескольких поколений,подкреплённый лабораторными исследованиями. Важным в генетическом анализе является установление типа наследования аномалий, который выявляется в основном генеалогическим анализом. Различают: простой аутосомно- рецессивный; аутосомно –доминантный тип наследования; сцепленный с Х – хромосомой тип наследования; мультифакториальное наследование.

Аутосомно-рецессивный тип наследования. Аномалия обусловлена одним рецессивным геном, расположенным в аутосоме. Аномалии проявляются в равном соотношении у самцов и самок. Аутосомно-рецессивные мутантные гены проявляют свой эффект только в гомозиготном состоянии, поэтому аномальные животные рождаются от нормальных, но гетерозиготных родителей, и теоретическая частота появления – 0, 25.

Аутосомно-доминантный тип наследования. Признаки, обусловленные доминантными генами, как правило проявляются в гетерозиготном состоянии . При таком дополнительном типе наследования пропуска поколений не будет (если только это не новая мутация);каждый аномальный потомок имеет аномального родителя. В родословных доминантно обусловленных аномалий общий предок, как правило встречается с одной стороны. Теоретическая частота 0,50. Известны доминантно обусловленные аномалии с летальным действием гена, проявляющимся только в гомозиготном состоянии, но разводят таких животных из-за наличия желательных признаков в гетерозигоном состоянии (серый каракуль).

Сцепленный с Х- хромосомой тип наследования. Мы его рассматривали при изучении раздела «Генетика пола». Все известные болезни такого типа связаны с доминантными или рецессивными генами расположенными в Х- хромосомах. Доминантные признаки сцепленные с полом встречаются редко, рецессивные признаков (заболеваний) встречается множество: гемофилия, дальтонизм, умственная отсталость связанная с повышенной ломкостью Х –хромосомы. Рецессивный ген всегда экспрессируется у гетерогаметных особей, у гомогаметных только в гомозиготном состоянии.

Мультифакториальное наследование. Установлено, что не во всех случаях патология – менделирующий признак. Часто она обусловлена действием двух или нескольких пар неаллельных генов, при сочетании которых возникает та или иная аномалия. В этом случае речь идёт о олигогенно – комплементарном наследовании. Например, спастический парез КРС, проявляется при взаимодополняющем действии 5 пар генов.

Полигенное (мультифакториальное) наследование связано с тем, что развитие даже одного признака, детерминировано многими генами, мутации которых могут приводить к той или иной аномалии развития. Патология проявляется тогда, когда суммарное действие генетических и средовых факторов достигает определённого уровня – порога, поэтому выраженность патологии от min до max зависит от числа генов подвергшихся мутации. Полагают, что на фоне действия многих мутантных генов, аномалия может возникнуть в результате действия одного-главного гена ( олигогена).

Полигенная модель наследования характеризуется: высокой частотой в популяции; существованием клинических форм, образующих непрерывный ряд от скрытых субклинических до резко выраженных проявлений; относительно низким уровнем конкордантности по манифестным проявлениям аномалии у монозиготных близнецов (менее 60%), но существенно превышающим уровень у дизиготных двоен; несоответствием закономерностям наследования простым менделеевским признакам; сходством клинических и других проявлений аномалии у ближайших родственников и пробанда, что отражает коэффициент наследуемости ( для полигенных он менее 50%, для моногенных – 100%).

Профилактика и повышение генетической устойчивости к аномалиям и болезням. В основе профилактики аномалий и болезней лежит устранение причин их вызывающих: мутации спонтанные и индуцированные; генетический мониторинг.

Наряду с ветеринарными мероприятиями необходимо разрабатывать генетические основы селекции животных- на устойчивость к болезням. Следует отметить, что селекция на резистентность к болезням затрудняется рядом факторов: сложной генетической обусловленностью резистентности; сложной генетической природой и взаимоотношениями между макро и микроорганизмами; невозможностью широкого использования заражения для выявления устойчивых и восприимчивых животных; отсутствием надёжных коственных маркёров резистентности; быстрой изменчивостью патогенов; большим интервалом между поколениями и длительностью селекции; невозможностью использования индуцированного мутагенеза; наличием в некоторых случаях отрицательной корреляции между резистентностью и продуктивностью.

Для повышения генетической устойчивости животных к болезням используют те же методы, что и для повышения продуктивности. В первую очередь устранение причин, их обуславливающих. Причинами генетических аномалий являются мутации, следовательно, необходимо предотвращать появление вредных мутаций в популяциях животных. Необходим жёсткий контроль: за состоянием внешней среды; устранение контактов с мутагенами; генетической структурой популяции.

Необходимо проведение следующих мероприятий: проводить диагностику болезней и аномалий и их учёт в племкарточках и каталогах производителей; оценивать производителей и маток по качеству потомства на устойчивость к болезням; ;отбирать молодняк от матерей отличающихся долголетием и устойчивостью к болезням; Производителей отбирать из резитентных маточных семейств и отцов, оценённых по качеству потомства на устойчивость к болезням.

Контрольные вопросы: 1. Что такое иммунитет? 2.Какова структура иммуноглобулинов и как они наследуются? 3.Каков механизм генетического контроля иммунного ответа? 4.Что включают в себя понятия генетические, наследственно-средовые и экзогенные аномалии? 5. Как наследуются аномалии животных? 6.Что входит в понятие «мультифакториальное наследование»? 7. В чём заключается профилактика и какие мероприятия проводятся для повышения резистентности животных?