Лекція 1: «Предмет генетики та її місце в системі природничих наук»

Питання:

1. Предмет генетики та її місце в системі природничих наук

2. Основні розділи генетики.

3. Методи генетики. Гібридологічний аналіз, його значення.

4. Історія генетики, її витоки, етапи розвитку. Значення генетики.

Предмет генетики. Генетика - наука про спадковість і мінливість. Спадковість звичайно визначають як здатність організмів відтворювати собі подібне, як властивість батьківських особин передавати свої ознаки й властивості потомству. Цим терміном визначають також подібність родинних особин між собою.

Ч. Дарвін відзначав, що нащадки, як правило, не є точною копією батьківських особин, тому що поряд зі спадковістю їм властива мінливість, що проявляється в розходженнях окремих органів, ознак або властивостей, або комплексу їх у нащадків у порівнянні з батьками й родичами.

Завданням генетики є вивчення передачі спадковості від батьків нащадкам. Наступність між поколіннями здійснюється шляхом полового, безстатевого або вегетативного розмноження. При половому розмноженні виникнення нового покоління відбувається в результаті злиття материнських і батьківської полових клітин, тому нащадки несуть ознаки обох батьківських форм. Полові клітини становлять мізерно малу частку багатоклітинного організму. Вони містять спадкоємну інформацію - сукупність генів - одиниць спадковості. Спадкоємна інформація визначає чіткий план онтогенезу, у процесі якого розвиваються й формуються! специфічні для даної Особини властивості й ознаки.

Поряд з терміном «спадковість» у генетику застосовують терміни «успадкування» і «спадкоємність». Спадкуванням називають процес передачі спадкоємних задатків або спадкоємної інформації від одного покоління іншому, у результаті чого в нащадків формуються певні ознаки й властивості, властивим батьківським особинам. Терміном «спадкоємність» позначають частку генетичної мінливості в загальної фенотипвої мінливості ознаки в конкретній популяції тварин або рослин.

Особлива увага в генетику приділяється вивченню мінливості - здатності організмів змінюватися під дією спадкоємних і неспадкоємних факторів. Розрізняють спадкоємну (генотипову) мінливість і неспадкоємну, виникаючу під впливом зовнішнього середовища й, що проявляється у виді модифікацій.

Сучасне вивчення спадковості й мінливості ведеться на різних рівнях організації живої матірки - молекулярний, клітинному, орган змінюємо й популяції; норм; при цьому використають різні методи досліджень.

Основні розділи. Розділ генетики, що вивчає явище спадковості на клітинному рівні, має назву цитогенетики. У розділі вивчають ядерну та цитоплазматичну спадковість, поведінку хромосом під час мітозу та мейозу, можливі порушення, структуру та реплікацію ДНК.

У наступному розділі вивчають спадковість, закономірності успадкування та способи взаємодії генів. У окремому розділі вивчають біологію визначення статі і зчеплене зі статтю успадкування, природне і штучне перевизначення статі.

Вивчення особливостей генетичного аналізу у мікроорганізмів і ряд знань з біохімії дозволяють зрозуміти механізми, методи, можливості, значення і відносну небезпеку генної інженерії.

Розуміння генетичних основ онтогенезу дозволяє регулювати план розвитку організму завдяки онтогенетичній мінливості й адаптаційних можливостей, визначити стадії та критичні періоди розвитку, знати термін дії гена і фактори його диференціальної активації.

Закономірності успадкування в популяціях дозволяють встановити фактори генетичної динаміки популяцій: інбридинг, мутаційний тягар, неспрямованість мутацій, дрейф генів, адаптивну цінність генотипів, коефіцієнт відбору.

Вивчення генетики людини відкриває можливості для медичної генетики: спадкові хвороби та їх поширення, причини виникнення вроджених і спадкових захворювань, фактори, що їх провокують, рання діагностика.

Генетичні основи розглядають селекцію як науку і як технологію, піднімають її роль в інтенсифікації виробництва аграрної продукції, дозволяють прогнозувати результати схрещування.

Основные этапы развития генетики. К началу XX в. в рас­тениеводстве и животноводстве был накоплен эксперименталь­ный материал о наследовании потомками признаков родитель­ских форм. Особенно ценные данные были получены во второй половине XVIII в. И. Кельрейтером, который изучал получен­ные им гибриды у 54 видов растений и установил ряд законо­мерностей в наследовании признаков: равное влияние на при­знак отцовской и материнской форм, возврат признака у гибри­да к одной из исходных родительских форм. Он впервые обра­тил внимание на дискретный характер наследования признаков, установил наличие пола у растений. Важное значение имели работы О. Сажре и Ш. Нодена во Франции, Т. Найта в Англии, А. Т. Болотова и К- Ф. Рулье в России, а также многих других ученых и практиков, которые наблюдали и описывали харак­тер наследования признаков у растений и животных при внутри­видовом и межвидовом скрещиваниях.

Ч. Дарвин (1809—1882) в своей работе «Происхождение видов» (1859) и в последующих трудах обобщил опыт и на­блюдения практиков и естествоиспытателей по изучению явле­ний наследственности н изменчивости, которые наряду с отбо­ром являются движущими факторами эволюции органической природы. В работе «Временная гипотеза пангенезиса» Дарвин сделал попытку объяснить, каким образом осуществляется пере­дача признаков и свойств от родителей потомкам. Эволюцион­ная теория Дарвина сыграла важную роль в дальнейшем развитии генетики, обусловила возникновение ряда гипотез и тео­рии, объясняющих сущность наследственности и изменчивости.

Основоположником генетики принято считать Г. Менделя (1822—1884), который впервые разработал метод научного под­хода к изучению наследственности и в своих опытах с расти­тельными гибридами установил важнейшие законы наследова­ния признаков. Результаты своих исследований Мендель доло­жил на заседании общества естествоиспытателей в г. Брно (Че­хословакия) и опубликовал в трудах этого общества в 1865 г. работу под скромным названием «Опыты над растительными гибридами». К сожалению, эта работа не была должным обра­зом оценена современниками и во второй половине XIX в. не оказала существенного влияния на дальнейшее развитие ге­нетики.

В 1900 г. Г. де Фриз (1848—1935) в Голландии, К. Корренс (1864—1933) в Германии и Э. Чермак (1871 — 1962) в Австрии независимо друг от друга установили, что полученные ими ре­зультаты по наследованию признаков у растительных гибридов полностью согласуются с данными Г. Менделя, который за 35 лет до них сформулировал правила наследственности. Г. де Фриз предложил установленные Г. Менделем правила назы­вать законами наследования признаков.

С 1900 г. началось интенсивное развитие науки о наслед­ственности и изменчивости, и в 1906 г. по предложению англий­ского ученого В. Бэтсона (1861 —1926) она получила название «генетика» от латинского слова geneo—порождаю. На различ­ных видах животных и растений были проверены законы Г. Менделя и установлена их универсальность. Вместе с тем имеющиеся отклонения в фенотипическом проявлении призна­ков у гибридов, в характере расщепления гибридов показали сложные взаимодействия генов. Важную роль в развитии гене­тики сыграли исследования В. Бэтсона, который изучал насле­дование признаков у кур, бабочек, лабораторных грызунов; шведского ученого Г. Нильссона-Эле по генетике количествен­ных признаков и полимерии; датчанина В. Иогансена (1857— 1927), создавшего учение о чистых линиях, которым были предложены термины «ген», «генотип», «фенотип».

Цитологические исследования Т. Бовери (1862—1915) по­казали наличие параллелизма в поведении хромосом в мейозе и при оплодотворении с наследованием признаков у гибридов, что послужило предпосылкой для развития хромосомной теории наследственности, основоположником которой является Т. Г. Морган (1861 — 1945), который вместе с А. Стертевантом (1892—1970) и К. Бриджесом (1889—1938) установил, что на­следственные факторы — гены — локализованы в хромосомах клеточного ядра.

Лекция генетических Kapf, доказан хромосомный механизм опре­деления пола. Хромосомная теория наследственности была крупнейшим достижением генетики и сыграла ведущую роль в ее дальнейшем развитии, становлении молекулярной био­логии.

Большой интерес к генетическим исследованиям был и у рус­ских ученых. В 1912 г. в России вышла книга профессора Е. А. Галанова (1872—1931) «Менделизм», в которой были представлены исследования в области генетики. Ю. А. Филипченко (1882 — 1930) в 191.3 г. впервые стал читать курс генетики в университетах России, создал кафедру генетики и экспериментальной зоологии в Петроградском университете, написал целую серию работ по частной генетике растении и животных. В этот период стали интенсивно развиваться генетические исследования, связанные с прикладными вопросами сельского хозяйства, например сравнительная генетика как теоретическая основа селекции культурных растении, блестяще разработанная Н. И. Вавиловым (1887 —1943), установившим один из величай­ших законов генетики — закон гомологических рядов в наслед­ственной изменчивости. И. В. Мичурин (1855—1935) на осно­вании экспериментальной работы теоретически обосновал закономерности наследования признаков у многолетних плодо­вых растении. II последующие годы в СССР были созданы генетические школы Н. К. Кольцова (1872—1940), А. С. Серебровского (189U- 1948), М. Ф Иванова (1871 — 1935). С. Н. Давыденкова (1881 — 1961) разрабатывал проблемы медицинской генетики.

Важное значение для развития генетики имели работы по получению и изучению индуцированных мутаций. О возможно­сти спонтанного изменения признака или свойства у отдельных особей писал Ч. Дарвин. В 1902 г. Г. де Фриз создал и опуб­ликовал основные теоретические положения мутационной тео­рии. В 1925 г. Г.А. Надеон и И.С. Филиппов и Ленинграде наблюдали мутационные изменения у дрожжевых и плесневых грибом под действием ионизирующей радиации. В 1927 г в США Г. Меллером (1890—1967) были получены мутации у плодовой мушки (Drosophila nietanogaster) в результате воз­действия рентгеновских лучей. Эти работы послужили началом широкого круга исследований по изучению характера мутацион­ной изменчивости, разработке методов их получения, проверке и поискам факторов, вызывающих мутации. Большой вклад В развитие .мутагенеза и его прикладное использование внесли советские генетики Н. П. Дубинин, В. В, Сахаров. М. Е. Лобашов, С. М. Гершлинзон, И. А. Рапопорт. В растениеводстве успешно разрабатывается методика получения геномных мута­ций, обусловленных изменением числа хромосом в клетках растений, — полиплоидия, А. Р. Жебрак, Л. П. Бреславец получали полиплоидные формы у растений. Г. Д. Карпеченко эксперимен­тально показал возможность создания новых видов растений методом аллополиплоидии. В. Л. Рыбин осуществил реконструкцию (воссоздание) существующего вида растений — культурной липы.

В развитие генетики популяций и разработку генетических аспектов эволюционной теории большой вклад внесли русские ученые С. С. Четвериков (1880-1959), И. И. Шмальгаузен (1884-1963), Н. П. Дубинин. Для разработки генетических методов ^лекции животных важное значение имели работы М.Ф. Иванова, А. С. Серебровского, С. Г. Давыдова и др.

С 1944 г. начались интенсивные исследования явлений наследственности и изменчивости на молекулярном уровне. 1944 т американский генетик О. Эвери с сотрудниками показал, что ведущая роль в сохранении и передаче наследственной информации принадлежит ДНК. Это открытие послужило началом развития молекулярной генетики. Важное значение для развития молекулярной генетики имели успехи в области биохимии нуклеиновых кислот, проводимые В. А. Энгельгардом и его грудниками в Институте молекулярной биологии АН СССР, американским биохимиком Э. Чаргаффом и др.

В 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон разработали модель структурной формулы молекулы ДНК; в 1961 — 1965 гг. М. Ниренберг и С. Очао расшифровали генетический код. Было установлено, го дезоксирибонуклеиновая кислота содержит наследственную информацию, специфическую для каждого вида и особи, и что гены являются функциональными единицами гигантских моле­кул ДИК, которая способна самокопироваться и таким образом сохраняться в поколениях. Наследственная информация реали­зуется в процессе синтеза белка, при этом важную роль играют рибонуклеиновые кислоты —информационная (иРНК), рибосомальная (рРНК) и транспортная (тРНК).

В 1969 в США Г. Корана с сотрудниками синтезировал вне организма химическим путем участок молекулы ДНК —ген аланиновой т-РНК пекарских дрожжей. С начала 70-х годов в лабораториях многих стран мира, в том числе н в СССР, с при­менением специфического фермента—обратной транскриптазы (ревертазы) была разработана методика синтеза генов вне ор­ганизма. Синтез и выделение генов, переносимых в клетки бак­терий, позволяют получать штаммы суперпродуцентов аминокис­лот, ферментов, биологически активных веществ, гормонов. Это направление развития генетики получило название генетиче­ской инженерии.

Методы генетических исследований. Современник генетика изучает явления наследственности и изменчивости, опираясь на достижения различных отраслей биологии—биохимии, биофизики. цитологии, эмбриологии, микробиологии, зоологии, ботаники, растениеводства и животноводства. Генетические исследо­вания значительно обогатили теоретические области биологии, а также зоотехнию, ветеринарию, племенное дело н разведение сельскохозяйственных животных, селекцию и семеноводство ра­стений, медицину.

Основными объектами генетических исследований на молекулярном уровне являются молекулы нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, обеспечивающие сохранение, передачу и реализацию наследственной информации. Изучение нуклеино­вых кислот вирусов, бактерий, грибов, клеток растений я жи­вотных, культивируемых вне организма (m vitro), позволяет установить закономерности действия генов а процессе жизнедеятельности клетки к организма.

Гибридологический метод впервые был разработан и применен Г. Менделем в 1856—1863 гг. для изучения насле­дования признаков и с тех пор является основным методом ге­нетических исследований. Он включает систему скрещиваний заранее подобранных родительских особей, различающихся по одному, двум или трем альтернативным признакам, наследование которых изучается. Приводится тщательный анализ гибри­дов первого, второго, третьего, а иногда и последующих поколе­ний по степени и характеру проявления изучаемых признаков. Этот метод имеет важное значение в селекции растений и жи­вотных. Он включает и так называемый рекомбинационный метод, который основан на явлении кроссинговера — обмена идентичными участками в хроматидах гомологических хромосом в профазе1 мейоза. Этот метод широко используют для составления генетических карт, а также для создания рекомбинантных молекул ДНК, содержащих генетические систе­мы различных организмов.

Моносомный метод позволяет установить, в какой хромосоме локализованы соответствующие гены, а в сочетании с рекомбинационным методом — определить место локализации генов в хромосоме.

Генеалогический метод —один из вариантов гибри­дологического. Его применяют при изучении наследования при­знаков по анализу родословных с учетом их проявления у жи­вотных родственных групп в нескольких поколениях. Этот ме­тод используют при изучении наследственности у человека и животных, малоплодие которых имеет видовую обусловлен­ность.

Близнецовый метод применяют при изучении влияния определенных факторов внешней среды и их взаимодействия с генотипом особи, а также для выявления относительной роли генотипической и модификационной изменчивости в общей изменчивости признака. Близнецами называют потомков, родив­шихся в одном помете одноплодных домашних животных {крупный рогатый скот, лошади и др.).

Различают два типа близнецов — идентичные (однояйцо­вые), имеющие одинаковый генотип, и неидентичные (разнояйцовые), возникшие из раздельно оплодотворенных двух или более яйцеклеток.

Мутационный метод (мутагенез) позволяет установить характер влияния мутагенных факторов на генетический аппарат клетки, ДНК. хромосомы, на изменения признаков или свойств. Мутагенез используют в селекции сельскохозяйствен­ных растений, в микробиологии дли создания новых штаммов бактерий. Он нашел применении в селекции тутового шелко­пряда.

Популяцнонно-статистический метод использу­ют при изучении явлений наследственности в популяциях. Этот метод дает возможность установить частоту доминантных и ре­цессивных аллелей, определяющих тот или иной признак, частоту доминантных и рецессивных гомозигот и гетерозигот, дина­мику генетической структуры популяций под влиянием мутаций изоляции и отбора. Метод является теоретической основой современной селекции животных.

Феногенетический метод позволяет установить сте­пень влияния генов и условий среды на развитие изучаемых свойств и признаков в онтогенезе. Изменение в кормлении и содержании животных влияет на характер проявления наслед­ственно обусловленных признаков и свойств.

Составной частью каждого метода является статистический анализ — биометрический метод. Он представляет собой ряд математических приемов, позволяющих определить степень достоверности полученных данных, установить вероятность раз­личий между показателями опытных и контрольных групп жи­вотных. Составной частью биометрии являются закон регрессии и статистический закон наследуемости, установленные Ф. Гальтоном.

В генетике широко используют метод моделирования с помощью ЭВМ для изучения наследования количественных признаков в популяциях, для оценки селекционных методов — массового отбора, отбора животных по селекционным индексам. Особенно широкое применение данный метод нашел в области генетической инженерии и молекулярной генетики.

Изучение закономерностей наследственности и изменчивости организмов необходимо для решения ряда важнейших проблем и вопросов самого широкого спектра:

• Определить место локализации генов в хромосоме;

• Установить частоту доминантных и ре­цессивных аллелей в популяции;

• Определить мутационный груз и способы борьбы с нежелательными мутациями;

• Выяснить сте­пень влияния генов и условий среды на развитие изучаемых свойств и признаков;

• Найти специфические и неспецифические антимикробных лекарственных средств;

• Спрогнозировать результаты селекционного процесса;

• Добиться прогресса селекции в практике аграрного производства и многое другое.