АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Молекулярная генетика. Молекулярная генетика — отрасль генетики, изучающая закономерности, которым подчиняются генетические процессы на молекулярном уровне

Молекулярная генетика — отрасль генетики, изучающая закономерности, которым подчиняются генетические процессы на молекулярном уровне. Важнейшее свойство живого — наследственность, т.е. способность сохранять из поколения в поколение относительно неизменными основные черты строения, обмена веществ и характер ответа на воздействие факторов окружающей среды, обеспечивается функционированием в клетках всех живых организмов особых молекул, одни из которых сохраняют генетическую запись и передают ее от родителей к потомкам, другие участвуют в реализации генетической программы в процессе жизни организма. Открытие этих молекул, изучение их структуры и закономерностей функционирования стало возможным благодаря исследованию химического строения живых клеток.

Первое предположение о возможной связи конкретных химических соединений (нуклеиновых кислот) с явлениями наследственности было высказано во 2-й половине 19 века швейцарским биохимиком Ф. Мишером и немецкими биологами братьями О. и Р. Гертвигами. В 1928 г. советский биолог Н. К. Кольцов предложил гипотезу, согласно которой все наследственные свойства организма закодированы в особых гигантских по размеру «наследственных молекулах». Каждая такая молекула состоит из строго упорядоченных звеньев (групп радикалов), собственно и составляющих отдельные гены, и особым образом упакована в специальных структурах клетки — хромосомах. В процессе деления клетки «наследственные молекулы» точно копируются, при этом полностью сохраняется структура каждого из составляющих ее звеньев.

Первые экспериментальные данные о химической природе «наследственных молекул» появились в середине 40-х — начале 50-х гг. 20 века. В частности, было обнаружено, что добавление препаратов дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК (см. Нуклеиновые кислоты), выделенных от одних бактерий другим, сообщает последним наследственные признаки первых и что при заражении вирусами именно их ДНК проникает в клетку и вызывает там синтез новых вирусных частиц.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что каждая хромосома содержит одну гигантскую двухнитевую молекулу ДНК, отрезки которой и являются генами, что основная функция генов состоит в кодировании структуры ферментных белков (см. Ферменты), управляющих всеми процессами жизнедеятельности, что реализация наследственной информации в соответствующие признаки организма протекает с помощью другого типа нуклеиновых кислот — рибонуклеиновых, или РНК, синтезируемых на ДНК и играющих в клетках роль функциональных копий генов. В 1953 г. было выяснено строение ДНК, а в 1961— 1964 гг.— точная структура генетического кода. Эти открытия стали основой для бурного развития исследований по широкому кругу проблем, связанных с изучением закономерностей развертывания генетической информации в живых клетках на молекулярном уровне. В частности, были получены принципиально новые и важные сведения об узловых процессах хранения и реализации наследственной информации: удвоении генетической информации перед делением клеток (процесс репликации ДНК), считывании генетической информации с молекул ДНК в их копии — молекулы информационной РНК (процесс транскрипции), синтезе белков под контролем молекул РНК (процесс трансляции), изменении генетического материала (мутагенез, рекомбинация — см. Ген, обмен генами), а также о роли внешней и внутренней среды клеток в управлении синтезом белков под контролем генов (процесс регуляции генной активности).

4) Термин ген предложен В. Иогансеном в 1909 году, однако проникновение в его сущность связано с именем Г. Менделя, который еще в 1860-х гг. ввел термин «наследственный фактор» и на основе точных экспериментов сделал гениальные обобщения относительно свойств и поведения наследственных факторов при передаче информации от родителей потомкам, которые в последующем легли в основу теории гена. Это следующие фундаментальные свойства наследственных факторов – генов:

1) Наличие альтернативных наследственных факторов для развития каждого конкретного признака организма (в современном представлении доминантный и рецессивный аллели гена).

2) Парность наследственных факторов, определяющих развитие признака (у диплоидного организма). Существенный вывод: наследуются не признаки, а от родителей к потомкам передаются вместе с гаметами гены. Из этих двух положений был развит принцип аллелизма.

3) Относительное постоянство гена.

Мендель не имел никаких сведений о местонахождении наследственных факторов в клетке, и тем более об их химической природе и механизме влияния на признак, т. е. наследственный фактор в начале 20 века выступал как условная единица наследственности.

Дальнейшая конкретизация представлений о гене связана с работами школы американского биолога Т. Х. Моргана. Введя в генетические исследования плодовую мушку-дрозофилу, удалось существенно увеличить разрешающую способность генетического анализа и на основе синтеза генетических и цитологических представлений доказать существование материальной структуры наследственности – хромосом, в которых локализованы гены.

Доказательствами хромосомной локализации генов явились: открытие генов, наследующихся сцеплено с полом (локализация генов в половых хромосомах, X или Y); сцепленное наследование группы признаков. Было показано наличие определенного числа групп сцепления генов, соответственно гаплоидному числу хромосом конкретного биологического вида. Кроме того, были получены генетические и цитологические доказательства кроссинговера – обмена генами между гомологичными хромосомами, приводящего к рекомбинации генов. Величина генетической рекомбинации (процент кроссинговера-перекреста) отражает расстояние между генами одной группы сцепления: чем дальше отстоят друг от друга гены, тем больше процент кроссинговера.

Таким образом, было доказано, что гены в хромосоме располагаются в линейном порядке, и каждый ген имеет свое определенное местоположение – локус. Соответственно открылась возможность построения плана взаимного расположения в хромосоме известных генов с указанием относительных расстояний между ними, выраженных в процентах перекреста (генетические карты) и идентифицировать местоположение гена в хромосоме (цитологические карты).

В 1945 г. Дж. Бидлом и Э. Татумом была сформулирована гипотеза, которую можно выразить формулой «Один ген - один фермент». Согласно этой гипотезе, каждая стадия метаболического процесса, приводящая к образованию в организме (клетке) какого-то продукта, катализируется белком-ферментом, за синтез которого отвечает один ген.

Позднее было показано, что многие белки имеют четвертичную структуру, в образовании которой принимают участие разные пептидные цепи. Поэтому формула, отражающая связь между геном и признаком, была несколько преобразована: «Один ген - один полипептид».

Изучение химической организации Э. Чаргаффом наследственного материала и процесса реализации генетической информации привело к формированию представления о гене как о фрагменте молекулы ДНК, транскрибирующемся в виде молекулы РНК, которая кодирует аминокислотную последовательность пептида или имеет самостоятельное значение (тРНК и рРНК).

Также ценные сведения о структуре ДНК дали результаты рентгеноструктурного анализа. Рентгеновские лучи, проходя через кристалл ДНК, претерпевают дифракцию, т.е. отклоняются в определенных направлениях. Степень и характер отклонения зависят от структуры самой молекулы. Анализ дифракционных рентгенограмм привел к заключению, что азотистые основания уложены на подобие стопки тарелок. Рентгенограммы позволили выявить в ДНК 3 главных периода: 0,34, 2 и 3,4, которые оказались размерами в модели ДНК, предложенной Дж.Уотсоном и Ф.Криком. 0,34 нм – расстояние между последовательными нуклеотидами, 2 нм – толщина цепи, 3,4 нм – расстояние между последовательными витками спирали

В конце двадцатых годов советские генетики А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин экспериментально показали, что ген не является единицей мутации, что он имеет сложную структуру: состоит из нескольких субъединиц, способных самостоятельно мутировать (ступенчатый аллелизм, или центровая теория гена). Весь ген (базиген) может состоять из отдельных центров, трансгенов, каждый из которых несет сходную функцию. Мутация может нарушать деятельность одного из трансгенов, не затрагивая других.

Несколько позже идея о сложном строении гена была подкреплена экспериментами по внутригенному кроссинговеру на дрозофиле по локусам lozenge, white и др. (работы Э. Льюиса, М. Грина и др.).

Таким образом, к 1950 году ген представлялся как участок хромосомы, контролирующий развитие определенного признака, имеющий определенную линейную протяженность и способный мутировать в разных участках и быть разделенным кроссинговером. Ген комплексен, так как его отдельные участки могут различаться по функциям, и в их совместной деятельности существует определенная субординация.

5) Все многообразие всего живого и его постоянное совершенствование были бы невозможны без изменчивости. Это связано с тем, что генотип последовательно реализуется в фенотип в ходе индивидуального развития организма и в определенных условиях среды обитания, факторы которой (колебания освещенности, температуры, влажности, условий питания, взаимоотношений с другими организмами и др.) часто оказывают определяющее значение на проявление и развитие того или иного признака и свойства. Поэтому организмы, имеющие одинаковые генотипы, могут заметно отличаться друг от друга по фенотипу. Приведем несколько примеров. Генотип – совокупность всех генов организма (генетическая конституция). Из генотипа зиготы в процессе онтогенеза возникает много сотен различных клеточных фенотипов. Отдельные клеточные фенотипы формируют фенотип всего организма. Весь процесс жизни от образования зиготы до естественной смерти контролируется генами. Генотип постоянно испытывает воздействие внешней среды, он взаимодействует со средой, что приводит к формированию всех признаков и свойств организма.
Если растения примулы, которые в обычных условиях имели красные цветки, перенести в оранжерею и содержать их там при температуре 30—35°С и высокой влажности, то через некоторое время все цветки у них оказываются белыми. Если эти же растения вновь поместить в обычные (комнатные) условия, то распустившиеся цветки будут красными.

6) СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТКИ

Клетка — это единая живая система, состоящая из двух неразрывно связанных частей — цитоплазмы и ядра (цв. табл. XII).

Цитоплазма — это внутренняя полужидкая среда, в которой расположено ядро и все органоиды клетки. Она имеет мелкозернистую структуру, пронизанную многочисленными тонкими нитями. В ней содержатся вода, растворенные соли и органические вещества. Основная функция цитоплазмы — объединять в одно целое и обеспечивать взаимодействие ядра и всех органоидов клетки.

Наружная мембрана окружает клетку тонкой пленкой, состоящей из двух слоев белка, между которыми расположен жировой слой. Она пронизана многочисленными мелкими порами, через которые осуществляется обмен ионами и молекулами между клеткой и средой. Толщина мембраны 7,5—10 нм, диаметр пор 0,8—1 нм. У растений поверх нее образуется оболочка из клетчатки. Основные функции наружной мембраны — ограничивать внутреннюю среду клетки, защищать ее от повреждений, регулировать поступление ионов и молекул, выводить продукты обмена и синтезируемые вещества (секреты), соединять клетки и ткани (за счет выростов и складок). Наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку крупных частиц путем фагоцитоза (см. разделы в «Зоологии» — «Простейшие», в «Анатомии» — «Кровь»). Аналогичным образом происходит поглощение клеткой капель жидкости — пиноцитоз (от греч. «пино» — пью).

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — это состоящая из мембран сложная система каналов и полостей, пронизывающих всю цитоплазму. ЭПС бывает двух типов — гранулированная (шероховатая) и гладкая. На мембранах гранулированной сети располагается множество мельчайших телец — рибосом; в гладкой сети их нет. Основная функция ЭПС — участие в синтезе, накоплении и транспортировке основных органических веществ, вырабатываемых клеткой. Белок синтезируется в гранулированной, а углеводы и жиры — в гладкой ЭПС.

Рибосомы — мелкие тельца, диаметром 15—20 нм, состоящие из двух частиц. В каждой клетке их сотни тысяч. Большинство рибосом располагаются на мембранах гранулированной ЭПС, а часть — в цитоплазме. В их состав входят белки и р-РНК. Основная функция рибосом — синтез белка.

Митохондрии — это мелкие тельца, размером 0,2—0,7 мкм. Их количество в клетке достигает нескольких тысяч. Они часто меняют форму, размеры и местоположение в цитоплазме, перемещаясь в наиболее активную их часть. Внешний покров митохондрии состоит из двух трехслойных мембран. Наружная мембрана гладкая, внутренняя — образует многочисленные выросты, на которых располагаются дыхательные ферменты. Внутренняя полость митохондрий заполнена жидкостью, в которой размещаются рибосомы, ДНК и РНК. Новые митохондрии образуются при делении старых. Основная функция митохондрий — синтез АТФ. В них синтезируется небольшое количество белков, ДНК и РНК.

Пластиды свойственны только клеткам растений. Различают три вида пластид — хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Они способны к взаимному переходу друг в друга. Размножаются пластиды путем деления.

Хлоропласты (60) имеют зеленый цвет, овальную форму. Размер их 4—6 мкм. С поверхности каждый хлоропласт ограничен двумя трехслойными мембранами — наружной и внутренней. Внутри он заполнен жидкостью, в которой располагаются несколько десятков особых, связанных между собой цилиндрических структур — гран, а также рибосомы, ДНК и РНК. Каждая грана состоит из нескольких десятков наложенных друг на друга плоских мешочков из мембран. На поперечном разрезе она имеет округлую форму, диаметр ее 1 мкм. В гранах сосредоточен весь хлорофилл, в них происходит процесс фотосинтеза. Образующиеся при этом углеводы вначале скапливаются в хлоропласте, затем поступают в цитоплазму, а из нее — в другие части растения.

Хромопласты определяют красную, оранжевую и желтую окраску цветов, плодов и осенних листьев. Они имеют форму многогранных кристаллов, расположенных в цитоплазме клетки.

Лейкопласты бесцветны. Они содержатся в неокрашенных частях растений (стеблях, клубнях, корнях), имеют округлую или палочковидную форму (размером 5—6 мкм). В них откладываются запасные вещества.

Клеточный центр обнаружен в клетках животных и низших растений. Он состоит из двух маленьких цилиндров — центриолей (диаметром около 1 мкм), расположенных перпендикулярно друг другу. Стенки их состоят из коротких трубочек, полость заполнена полужидким веществом. Основная их роль — образование веретена деления и равномерное распределение хромосом по дочерним клеткам.

Комплекс Гольджи получил название по имени итальянского ученого, впервые открывшего его в нервных клетках. Он имеет разнообразную форму и состоит из ограниченных мембранами полостей, отходящих от них трубочек и расположенных на их концах пузырьков. Основная функция — накопление и выведение органических веществ, синтезируемых в эндоплазматической сети, образование лизосом.

Лизосомы — округлые тельца диаметром около 1 мкм. С поверхности лизосома ограничена трехслойной мембраной, внутри ее находится комплекс ферментов, способных расщеплять углеводы, жиры и белки. В клетке имеется несколько десятков лизосом. Новые лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Их основная функция — переваривание пищи, попавшей в клетку путем фагоцитоза, и удаление отмерших органоидов.

Органоиды движения — жгу тики и реснички — представляют собой выросты клетки и имеют однотипное строение у животных и растений (общность их происхождения). Движение многоклеточных животных обеспечивается сокращениями мышц. Основной структурной единицей мышечной клетки являются миофибриллы — тонкие нити длиной более 1 см, диаметром 1 мкм, расположенные пучками вдоль мышечного волокна.

Клеточные включения — углеводы, жиры и белки — относятся к непостоянным компонентам клетки. Они периодически синтезируются, накапливаются в цитоплазме в качестве запасных веществ и используются в процессе жизнедеятельности организма.Углеводы концентрируются в зернах крахмала (у растений) и гликогена (у животных). Их много в клетках печени, клубнях картофеля и других органах. Жиры накапливаются в виде капель в семенах растений, подкожной клетчатке, соединительной ткани и т. д. Белки откладываются в виде зерен в яйцеклетках животных, семенах растений и других органах.

Ядро — один из важнейших органоидов клетки. От цитоплазмы его отделяет ядерная оболочка, состоящая из двух трехслойных мембран, между которыми располагается узкая полоска из полужидкого вещества. Через поры ядерной оболочки осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Полость ядра заполнена ядерным соком. В нем находятся ядрышко (одно или несколько), хромосомы, ДНК, РНК, белки и углеводы. Ядрышко — округлое тельце размером от 1 до 10 мкм и более; в нем синтезируется РНК. Хромосомы видны только в делящихся клетках. В интерфазном (неделящемся) ядре они присутствуют в виде тонких длинных нитей хроматина (соединения ДНК с белком). В них заключена наследственная информация. Число и форма хромосом у каждого вида животных и растений строго определенные. Соматические клетки, из которых состоят все органы и ткани, содержат диплоидный (двойной) набор хромосом (2 n); половые клетки (гаметы) — гаплоидный (одинарный) набор хромосом (n). Диплоидный набор хромосом в ядре соматической клетки создается из парных (одинаковых), гомологичных хромосом. Хромосомы разных пар (негомологичные) отличаются друг от друга по форме, месту расположения центромеры и вторичных перетяжек.

Прокариоты — это организмы с мелкими, примитивно устроенными клетками, без четко выраженного ядра. К ним относятся сине-зеленые водоросли, бактерии, фаги и вирусы. Вирусы представляют собой молекулы ДНК или РНК, покрытые белковой оболочкой. Они так малы, что их можно разглядеть только в электронный микроскоп. У них отсутствуют цитоплазма, митохондрии и рибосомы, поэтому они не способны синтезировать белок и энергию, необходимые для их жизнедеятельности. Попав в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию, они нормально развиваются.

Эукариоты — организмы с более крупными типичными клетками, содержащие все основные органоиды: ядро, эндоплазматическую сеть, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, лизосомы и другие. К эукариотам относятся все остальные растительные и животные организмы. Их клетки имеют сходный тип строения, что убедительно доказывает единство их происхождения.

7) ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ, одно из обобщений в генетике, утверждающее, что наследственные факторы (гены) расположены в хромосомах, передача которых от родителей потомкам обеспечивает в поколениях преемственность свойств и признаков у особей одного вида. Толчком к её развитию послужило переоткрытие в 1900 г. закономерностей наследования, установленных ранее Г. Менделем (см. Менделя законы). Основы хромосомной теории заложили работы немецкого биолога Т. Бовери (1902–1907) и американского цитолога У. Сеттона (1902–1903), которые независимо друг от друга предположили, что гены расположены в хромосомах, и связали закономерности Менделя, описывавшие поведение наследственных факторов, с поведением хромосом во время мейоза и при оплодотворении. Таким образом, были вскрыты соответствия в данных генетики и цитологии. Детальная разработка хромосомной теории была произведена Т.Х. Морганом и его учениками (начиная с 1910 г.). Изучая наследование окраски глаз у плодовой мушки дрозофилы, Морган показал, что цвет глаз – признак, сцепленный с полом, и что по характеру его наследования ген, определяющий этот признак, должен находиться в половой хромосоме (Х-хромосоме). Так экспериментально была доказана связь конкретного гена с конкретной хромосомой. В дальнейшем было установлено, что многие признаки наследуются совместно – как один комплекс. Это означало, что контролирующие их гены образуют группы сцепления. Число таких групп сцепления оказалось равным гаплоидному числу хромосом, постоянному для каждого вида организмов (см. Геном). Затем Морган обнаружил, что сцепленное наследование признаков может нарушаться в результате кроссинговера во время мейоза. На основании детального исследования сцепления генов и кроссинговера (на материале различных мутаций у дрозофилы) Морган и его сотрудники разработали методы определения взаимного положения различных генов на хромосомах и построения генетических карт хромосом. Хромосомная теория нашла подтверждение и дальнейшее развитие в открытии химической природы гена, выяснении строения хромосом и в других достижениях молекулярной генетики.

8) КАРИОТИП

совокупность признаков хромосомного набора, характерная для каждого биологического вида. К таким признакам относятся число, размер и форма хромосом, положение на хромосомах первичной перетяжки (центромеры), наличие вторичных перетяжек, чередование гетерохроматиновых и эухроматиновых участков и др. Кариотип служит «паспортом» вида, надёжно отличающим его от кариотипов других видов. Постоянство всех признаков видового кариотипа обеспечивается точными процессами распределения хромосом по дочерним клеткам в митозе и мейозе (эти процессы могут нарушаться при хромосомных мутациях).
При изучении кариотипа, которое обычно проводят на стадии метафазы клеточного цикла, используют микрофотографирование, специальные способы окраски хромосом и др. методы. Результаты представляют в виде карио-граммы (систематизированное расположение хромосом, вырезанных из микрофотографии) или идиограммы – схематического изображения хромосом, расположенных в ряд по мере убывания их длины. Сравнительный анализ кариотипов используют в кариосистематике для определения путей эволюции кариотипов, выяснения происхождения домашних животных и культурных растений, для выявления хромосомных аномалий, ведущих к наследственным болезням, и т.д.

9) В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть - в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина. На протяжении клеточного цикла хроматин претерпевает высокоупорядоченные структурные преобразования в виде последовательных конденсаций-деконденсаций. В соматических клетках при максимальной конденсации в метафазе митоза эти преобразования сопровождаются формированием метафазных хромосом. Морфология и число метафазных хромосом являются уникальными характеристиками вида.

Содержание ДНК у эукариот в расчете на одну клетку в среднем на два-три порядка выше, чем у прокариот, и у разных видов животных изменяется от 168 пг (амфибии) до 1 пг (некоторые виды рыб). У человека имеется около 6 пг ДНК на диплоидный геном, суммарная длина которой приближается к 6*109 п.о. (табл. I.1). Повышенное содержание ДНК в геноме эукариот нельзя объяснить одним лишь увеличением потребности этих организмов в дополнительной генетической информации в связи с усложнением организации, поскольку большая часть их геномной ДНК, как правило, представлена некодирующими последовательностями нуклеотидов. Размер генома организмов, находящихся на более низких ступенях эволюционного развития, зачастую превышает размеры геномов более высокоорганизованных животных и растений. Известно, что большая часть ДНК генома эукариот не кодирует РНК и белки, и ее генетические функции не вполне понятны.

10)

Хромосомы — структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре.

ДНК в хромосомах упакована таким образом, что умещается в ядре, диаметр которого обычно не превышает 5 мкм (5-10^{- 4} см). Упаковка ДНК приобретает вид петельной структуры, похожей на хромосомы типаламповых щеток амфибий или политенных хромосом насекомых. Петли поддерживаются с помощью белков, которые узнают определенные последовательности нуклеотидов и сближают их. Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза.

Хромосома представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, которые удерживаются центромерой в области первичной перетяжки. Каждая хроматид а построена из хроматиновых петель. Хроматин не реплицируется. Реплицируется только ДНК.

Рис. 14. Строение и репликация хромосомы

С началом репликации ДНК синтез РНК прекращается. Хромосомы могут находиться в двух состояниях: конденсированном (неактивном) и деконденсированном (активном).

Диплоидный набор хромосом организма называют ка-риотипом. Современные методы исследования позволяют определить каждую хромосому в кариотипе. Для этого учитывают распределение видимых под микроскопом светлых и темных полос (чередование AT и ГЦ-пар) в хромосомах, обработанных специальными красителями. Поперечной исчер-ченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпанзе, очень сходный характер чередования полос в хромосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом — 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины ге-терогаметны (ХУ), а женщины гомогаметны (XX). У-хромосо-ма отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей (например, аллеля свертываемости крови). Хромосомы одной пары называют гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах несут аллельные гены. Половые хромосомы, или гоносомы — хромосомы, набор которых отличает мужские и женские особи у животных и растений с хромосомным определением пола.

11) Т. Морган предположил, что гены расположены в хромосомах линейно, а частота кроссинговера отражает относительное расстояние между ними: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем далее отстоят гены друг от друга в хромосоме; чем реже кроссинговер, тем они ближе друг к другу. Таким образом, когда рекомбинация генов черного цвета тела и коротких крыльев у дрозофилы происходит с частотой 17%, эта величина определенным образом характеризует расстояние между генами в хромосоме.
Одним из классических опытов Моргана на дрозофиле, доказывающим линейное расположение генов, был следующий. Самки, гетерозиготные по трем сцепленным рецессивным генам, определяющим желтую окраску тела у, белый цвет глаз до и вильчатые крылья bi, были скрещены с самцами, гомозиготными по этим трем генам. В потомстве было получено 1,2% мух кроссоверных, возникших от перекреста между генами у идо, 3,5% — от кроссинговера между генами w и bi и 4,7% — между у и bi. Полученные результаты на схеме выглядят следующим образом:

Из этих данных с очевидностью вытекает, что процент перекреста является функцией расстояния между генами. Поскольку расстояние между крайними генами у и bi равно сумме двух расстояний между у и w, w и bi, следует предположить, что гены расположены в хромосоме последовательно, т. е. линейно.
Воспроизводимость этих результатов в повторных опытах указывает на то, что местоположение генов в хромосоме строго фиксировано, т. е. каждый ген занимает в хромосоме свое определенное место — локус.

12. Эу – и гетерохроматин Некоторые хромосомы во время клеточного деления выглядят конденсированными и интенсивно окрашенными. Такие различия были названы гетеропикнозом. Для обозначения районов хромосом, демонстрирующих положительный гетеропик­ноз на всех стадиях митотического цикла был предложен термин «гетерохроматин». Различают эухроматин — основную часть митотических хромосом, которая претерпевает обычный цикл компактизации декомпактизации во время митоза, и гетерохроматин — участки хромосом, постоянно находящиеся в компактном состоянии.У большинства видов эукариот хромосо­мы содержат как эу-, так и гетерохроматиновые участки, причем последние составляют значительную часть генома. Гетерохроматин располагается в прицентромерных, иногда в прителомерных областях. Обнаружены гетерохроматиновые участки в эухроматиновых плечах хромосом. Они выглядят как вкрапления (интеркаляции) гетерохроматина в эухроматин. Такой гетеро­хроматин называют интеркалярным. Компактизация хроматина. Эухроматин и гетерохроматин различаются по циклам компактизации. Эухр. проходит полный цикл компактизации-декомпактизации от интерфазы до интерфазы, гетеро. сохраняет состояние от­носительной компактности. Дифференциальная окрашиваемость. Разные участки гетерохроматина окраши­ваются разными красителями, некоторые рай­оны — каким-то одним, другие — несколькими. Применяя различные красители и используя хромосомные перестройки, разры­вающие гетерохроматиновые районы, у дрозо­филы удалось охарактеризовать много неболь­ших районов, где сродство к окраскам отлично от соседних участках.

13). Хромосомные перестройки (аберрации)

Хромосомными перестройками, или хромосомными аберрациями называются видимые изменения структуры хромосом. (Иногда хромосомные перестройки называют хромосомными мутациями.) Хромосомные аберрации (в отличие от генных мутаций) всегда уникальны, неповторимы. Поэтому при отсутствии близкородственного скрещивания хромосомные аберрации встречаются только в гетерозиготном состоянии: в сочетании с нормальными хромосомами или в компаунде с другими аберрациями. При близкородственном скрещивании (инбридинге) возможно образование гомозигот.

Различают внутрихромосомные аберрации (фрагментацию, нехватки, дупликации, инверсии, транспозиции) и межхромосомные (транслокации). Рассмотрим подробнее основные типы хромосомных аберраций.

Фрагментация – это дробление хромосом с образованием множества различных фрагментов. У некоторых организмов существуют полицентрические хромосомы, и при фрагментации каждый из фрагментов получает центромеру, тогда он может нормально реплицироваться и участвовать в делении клетки.Концевые нехватки, или дефишенси – потери концевых, теломерных участков хромосом. В результате образуются линейные фрагменты, лишенные центромеры (линейные ацентрики). Ацентрики не участвуют в делении клетки и утрачиваются.Нехватки внутренних участков, или делеции – потери участков хромосом, не затрагивающие теломеры. Утраченные участки, лишенные центромер, обычно образуют кольцевые ацентрики, которые также утрачиваются. Дупликации – это удвоения участков хромосом. В результате возникают тандемные последовательности генов, например: abcabc. Дупликации – один из путей возникновения новых генов. Инверсии – повороты участков хромосом на 180°. Различают перицентрические инверсии (инвертированный участок включает центромеру) и парацентрические (инвертированный участок лежит в одном из плеч хромосомы вне центромеры). У гетерозигот при перекресте нормальных и инвертированных хромосом возникают ацентрики и дицентрики; в результате возникают неполноценные клетки, и продукты кроссинговера не переходят в последующие поколения (поэтому инверсии образно называют «запирателями кроссинговера»). Таким образом, инверсии способствуют сохранению целых блоков генов – супергенов. Если инверсии сочетаются с дупликациями, то могут возникать палиндромы, например: abccba. Транспозиции – это перемещения участков хромосомы в другие локусы (точки) этой же хромосомы. Существуют участки хромосом, склонные к транспозициям, их называют «прыгающими генами», мобильными генетическими элементами, или транспозонами. При транспозициях гены, изменившие свое положение, могут изменять свою активность – такое явление называется эффектом положения. В результате эффекта положения гены изменять свои первоначальные функции, что приводит, в сущности, к появлению новых генов. Транслокации – это перемещения участков хромосомы или всей хромосомы в другую хромосому. В некоторых случаях происходит полное слияние гомологичных хромосом с образованием двуцентромерных структур – дицентриков. В других случаях из двух акроцентрических хромосом образуется одноцентромерная двуплечая хромосома. Такое слияние хромосом называется робертсоновской транслокацией. Робертсоновские транслокации часто встречаются у грызунов.Последствия хромосомных аберраций у разных организмов различны. У относительно низкоорганизованных организмов (у растений, насекомых, грызунов) хромосомные перестройки могут приводить к появлению новых признаков, но могут и не проявляться фенотипически. У человека хромосомные перестройки в гетерозиготном состоянии снижают плодовитость, а в гомозиготном – летальны.

14) Мейоз — разновидность митоза, в результате которого из диплоидных (2п) соматических клеток половых желез образуются гаплоидные гаметы (1n). При оплодотворении ядра гаметы сливаются, и восстанавливается диплоидный набор хромосом. Таким образом, мейоз обеспечивает сохранение постоянного для каждого вида набора хромосом и количества ДНК.Мейоз представляет собой непрерывный процесс, состоящий из двух последовательных делений, называемых мейозом I и мейозом II. В каждом делении различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В результате мейоза I число хромосом уменьшается вдвое (редукционное деление): при мейозе II гаплоидность клеток сохраняется (эквационное деление). Клетки, вступающие в мейоз, содержат генетическую информацию 2n2хр В профазе мейоза I происходит постепенная спирализация хроматина с образованием хромосом. Гомологичные хромосомы сближаются, образуя общую структуру, состоящую из двух хромосом (бивалент) и четырех хроматид (тетрада). Соприкосновение двух гомологичных хромосом по всей длине называется конъюгацией. Затем между гомологичными хромосомами появляются силы отталкивания, и хромосомы сначала разделяются в области центромер, оставаясь соединенными в области плеч, и образуют перекресты (хиазмы). Расхождение хроматид постепенно увеличивается, и перекресты смещаются к их концам. В процессе конъюгации между некоторыми хроматидами гомологичных хромосом может происходить обмен участками — кроссинговер, приводящий к перекомбинации генетического материала. К концу профазы растворяются ядерная оболочка и ядрышки, формируется ахроматиновое веретено деления. Содержание генетического материала остается прежним (2n2хр).

В метафазе мейоза I биваленты хромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки. В этот момент спирализация их достигает максимума. Содержание генетического материала не изменяется (2п2хр).В анафазе мейоза I гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, окончательно отходят друг от друга и расходятся к полюсам клетки. Следовательно, из каждой пары гомологичных хромосом в дочернюю клетку попадает только одна — число хромосом уменьшается вдвое (происходит редукция). Содержание генетического материала становится 1n2хр у каждого полюса.В телофазе происходит формирование ядер и разделение цитоплазмы — образуются две дочерние клетки. Дочерние клетки содержат гаплоидный набор хромосом, каждая хромосома — две хроматиды (1n2хр).Интеркинез — короткий промежуток между первым и вторым мейотическими делениями. В это время не происходит репликации ДНК, и две дочерние клетки быстро вступают в мейоз II, протекающий по типу митоза.В профазе мейоза II происходят тс же процессы, что и в профазе митоза. В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. Изменений содержания генетического материала не происходит (1n2хр). В анафазе мейоза II хроматиды каждой хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки, и содержание генетического метериала у каждого полюса становится lnlxp. В телофазе образуются 4 гаплоидные клетки (lnlxp).

Таким образом, в результате мейоза из одной диплоидной материнской клетки образуются 4 клетки с гаплоидным набором хромосом. Кроме того, в профазе мейоза I происходит перекомбинация генетического материала (кроссинговер), а в анафазе I и II — случайное отхождение хромосом и хроматид к одному или другому полюсу. Эти процессы являются причиной комбинативной изменчивости.

Биологическое значение мейоза:1) является основным этапом гаметогенеза;2) обеспечивает передачу генетической информации от организма к организму при половом размножении;3) дочерние клетки генетически не идентичны материнской и между собой.

Атак же, биологическое значение мейоза заключается в том, что уменьшение числа хромосом необходимо при образовании половых клеток, поскольку при оплодотворении ядра гамет сливаются. Если бы указанной редукции не происходило, то в зиготе (следовательно, и во всех клетках дочернего организма) хромосом становилось бы вдвое больше. Однако это противоречит правилу постоянства числа хромосом. Благодаря мейозу половые клетки гаплоидны, а при оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом. Генетическое значение мейоза,
во-первых, состоит в том, что в результате редукционного деления половые клетки эукариот получают гаплоидный (n) набор хромосом. После слияния в результате оплодотворения половых клеток образуется зигота, несущая диплоидный набор хромосом (2n), свойственный особям данного вида.
Во-вторых, материнские клетки пыльцы или микроспор содержат наборы хромосом, попавшие к ним в процессе оплодотворения от отцовской и материнской особи.

15) Гомологичные хромосомы (гомологи) - это парные хромосомы, аутосомы, по одной от каждого родителя в диплоидных клетках. Перед обычным митотическим делением каждый из пары гомологов удваивается, и две образовавшиеся копии остаются соединенными вместе в центромерной области. Эти копии называются сестринскими хроматидами.Гомологичные хромосомы конъюгируют между собой в процессе мейоза, т. е. сближаются и соединяются в пары. У них одинаковые локусы расположены в одной и той же линейной последовательности. Соответствующие локусы гомологичных хромосом могут нести как одинаковые, так и разные варианты (аллели) одних и тех же генов. КРОССИНГОВЕР, взаимный обмен участками между гомологичными (попарными) хромосомами. Происходит в процессе клеточных делений – мейоза и (гораздо реже) митоза на стадии профазы, когда спаренные гомологичные хромосомы уже содержат по две сестринские хроматиды. На этой четырёххроматидной стадии и осуществляется обмен гомологичными участками хроматид: в каждой гомологичной хромосоме одна хроматида разрывается, а затем образовавшиеся фрагменты соседних хроматид воссоединяются заново, но уже крест-накрест (англ. «кроссинговер» – перекрёст). При кроссинговере гены из одной гомологичной хромосомы перемещаются в другую, в результате чего возникают новые комбинации аллелей генов, т. е. происходит рекомбинация генетического материала. Кроссинговер – один из механизмов наследственной изменчивости.

16)-то же самое что 13

17) Клонирование - один из методов выделения и идентификации фрагментов ДНК, а также получения их в неограниченном количестве. Выделенные и идентифицированные фрагменты могут быть использованы для молекулярного анализа, в качестве ДНК-зондов и для создания библиотек генов. Метод был разработан на бактериях и свое название получил из-за того, что все производные одной бактериальной колонии содержат идентичные фрагменты ДНК, т.е. представляют собой клоны.

Искусственное, т. е. осуществляемое человеком, клонирование широко применяется как в научных, так и в практических целях. Наряду с различными способами вегетативного размножения, известными с древности, в растениеводстве всё шире входит в практику т. н. микро размножение – выращивание посадочного материала из одиночных клеток с применением методов культуры клеток и тканей. Клонирование бактерий и соматических клеток растений и животных используется в микробиологии, в генетике, в практических направлениях биотехнологии и клеточной инженерии, во всех тех теоретических и практических работах, когда необходимо иметь генетически однородный материал. Особый интерес вызывают эксперименты, связанные с клонированием позвоночных животных и человека. Исследования в этом направлении ведутся давно. В 1987 г. отечественные учёные в Пущинском научном центре осуществили первое клонирование млекопитающего – мыши. Для этого из яйцеклетки мыши удаляли ядро, а затем вводили в яйцеклетку ядро из эмбриональной мышиной клетки. Т. е. был использован генетический материал соматической, но недифференцированной (неспециализированной) эмбриональной клетки. В 1997 г. шотландским учёным удалось клонировать овцу, используя в качестве донора генетического материала эпителиальные клетки молочной железы. Зародыш вводили (имплантировали) в организм приёмной матери, которая и вынашивала ягнёнка. В этом случае, что представляет принципиальный интерес, использовалась в качестве донора специализированная соматическая клетка. Таким образом, эти эксперименты доказали, что можно получать генетически идентичные копии (клоны) млекопитающих, используя их соматические клетки.

Предполагается, что клонирование найдёт широкое применение в животноводстве. В принципе не представляется невероятным выращивание из хорошо сохранившихся в вечной мерзлоте соматических клеток вымерших животных (напр., мамонта) полноценного организма. Эксперименты по клонированию человека осуждаются международными организациями и запрещены в ряде стран как неприемлемые в нравственном отношении. Тем не менее в кон. 2002 г. в мире появились неподтвержденные сообщения о рождении детей, клонированных из соматических клеток.

Клонирование фрагмента ДНК включает несколько последовательных этапов: 1) встраивание клонируемого (чужеродного) фрагмента ДНК в векторную молекулу ДНК (образование химерной молекулы - рекомбинантной ДНК); 2) проникновение этой конструкции в бактериальную клетку-хозяина; 3) идентификация клеток, содержащих рекомбинантную ДНК, и их отбор (как правило, осуществляется на селективной среде); 4) получение необходимого количества клеток, содержащих рекомбинантную ДНК (собственно клонирование).

18) Перекрывающиеся гены у вирусов и прокариот

Генетический материал мелкого бактериофага φX174 представлен

одноцепочечной ДНК и состоит всего из 9 генов, продукты которых хорошо изучены. ДНК, необходимая для кодирования этих продуктов, должна бы состоять минимум из 6078 нуклеотидов.На самом же деле хромосома фага φX174 состоит из 5374 нуклеотидов. Этот парадокс удалось разрешить лишь после того, как в 1978 г. группой Ф. Сэнгера было проведено полное секвенирование ДНК этого фага. Оказалось, что кодирующие последовательности двух генов (В и Е -) локализованы внутри кодирующих последовательностей двух других генов (А и D,). При этом рамка считывания (т.е. триплет, прочитываемый при трансляции) в каждом случае оказывалась сдвинутой на одну пару нуклеотидов. Например, в определённом участке внутри гена,находится последовательность GTTTATGGTACG которая в полипептиде, кодирует последовательность валин-тирозин- глицин-треонин. Рамка считывания гена- смещена вправо на один нуклеотид отрамки считывания гена,. Поэтому триплет ATG распознается РНК-полимеразой как стартовый и в полипептиде - появляется формилметионин, за которым последует валин, кодируемый триплетом GTA, и т.д.Сходным образом кодирующая последовательность гена B оказывается внутри кодирующей последовательности гена A. В результате сдвига рамки считывания кодируемые перекрывающимися генами полипептиды полностью отличаются друг от друга по последовательностям аминокислот. Вместе с тем в случае замены или делеции одного нуклеотида инактивируются сразу два гена. Подобная ситуация “ген внутри гена” обнаружена и в ряде других случаев. Частично перекрывающиеся кодирующие последовательности обнаружены в ДНК вируса млекопитающих SV40. У РНК-ового фага MS2 один из генов перекрывает два других и, следовательно, не перекрывается лишь один из фаговых генов.При анализе одного из мобильных генетических элементов у бактерий элемента IS5 - был обнаружен еще более яркий пример сверхкомпактной организации генетической информации. В этом случае одна из цепей дуплекса ДНК содержит два перекрывающихся гена, а комплементарный им участок второй цепи образует третий ген. Следовательно, обе цепи значимы и несут информацию, соответствующую трем генам.

19) Генетические карты хромосом- это схемы относительного расположения сцепленных между собой наследственных факторов — Генов. Г. к. х. отображают реально существующий линейный порядок размещения генов в хромосомах и важны как в теоретических исследованиях, так и при проведении селекционной работы, т.к. позволяют сознательно подбирать пары признаков при скрещиваниях, а также предсказывать особенности наследования и проявления различных признаков у изучаемых организмов. Имея Г. к. х., можно по наследованию «сигнального» гена, тесно сцепленного с изучаемым, контролировать передачу потомству генов, обусловливающих развитие трудно анализируемых признаков; например, ген, определяющий эндосперм у кукурузы и находящийся в 9-й хромосоме, сцеплен с геном, определяющим пониженную жизнеспособность растения. Многочисленные факты отсутствия независимого распределения признаков у гибридов второго поколения(вопреки законам Менделя) были объяснены хромосомной теорией наследственности. Гены, расположенные в одной хромосоме, в большинстве случаев наследуются совместно и образуют одну группу сцепления, количество которых, т. о., соответствует у каждого организма гаплоидному числу хромосом. Американский генетик Т. Х. Морган показал, однако, что сцепление генов, расположенных в одной хромосоме, у диплоидных организмов не абсолютное; в некоторых случаях перед образованием половых клеток между однотипными, или гомологичными, хромосомами происходит обмен соответственными участками; этот процесс носит название перекреста, или Кроссинговера. Обмен участками хромосом (с находящимися в них генами) происходит с различной вероятностью, зависящей от расстояния между ними (чем дальше друг от друга гены, тем выше вероятность кроссинговера и, следовательно, рекомбинации). Генетический анализ позволяет обнаружить перекрест только при различии гомологичных хромосом по составу генов, что при кроссинговере приводит к появлению новых генных комбинаций. Обычно расстояние между генами на Г. к. х. выражают как % кроссинговера (отношение числа мутантных особей, отличающихся от родителей иным сочетанием генов, к общему количеству изученных особей); единица этого расстояния — морганида — соответствует частоте кроссинговера в 1%.

Г. к. х. составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаружения. Кроме номера группы сцепления, указывают полные или сокращённые названия мутантных генов, их расстояния в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а также место центромеры. Составить Г. к. х. можно только для объектов, у которых изучено большое число мутантных генов. Например, у дрозофилы идентифицировано свыше 500 генов, локализованных в её 4 группах сцепления, у кукурузы — около 400 генов, распределенных в 10 группах сцепления У менее изученных объектов число обнаруженных групп сцепления меньше гаплоидного числа хромосом. Так, у домовой мыши выявлено около 200 генов, образующих 15 групп сцепления (на самом деле их 20); у кур изучено пока всего 8 из 39. У человека из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом) идентифицировано только 10, причём в каждой группе известно небольшое число генов; наиболее подробные карты составлены для половых хромосом. У бактерий, которые являются гаплоидными организмами, имеется одна, чаще всего непрерывная, кольцевая хромосома и все гены образуют одну группу сцепления При переносе генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент, например при конъюгации, кольцевая хромосома разрывается и образующаяся линейная структура переносится из одной бактериальной клетки в другую (у кишечной палочки в течение 110—120 мин). Искусственно прерывая процесс конъюгации, можно по возникшим типам рекомбинантов установить, какие гены успели перейти в клетку-реципиент. В этом состоит один из методов построения Г. к. х. бактерий, детально разработанных у ряда видов. Ещё более детализированы Г. к. х. некоторых бактериофагов.

20) Гаметогенез- это процесс развития и формирования половых клеток — гамет Г. мужских гамет (сперматозоидов, спермиев) называют Сперматогенезом, женских гамет (яйцеклеток) — Оогенезом. У животных и растений Г. протекает различно, в зависимости от места Мейозав жизненном цикле этих организмов.

У многоклеточных животных Г. происходит в специальных органах — половых железах, или гонадах (яичниках, семенниках, гермафродитных половых железах), и складывается из трёх основных этапов: 1) размножение первичных половых клеток — гаметогониев (сперматогониев и оогониев) путём ряда последовательных Митозов, 2) рост и созревание этих клеток, называют теперь гаметоцитами (сперматоцитами и ооцитами), которые, как и гаметогонии, обладают полным (большей частью диплоидным) набором хромосом. В это время совершается основное событие Г. у животных — деление гаметоцитов путём мейоза, приводящее к редукции (уменьшению вдвое) числа хромосом в этих клетках и превращению их в гаплоидные клетки — сперматиды и оотиды; 3) формирование сперматозоидов (либо спермиев) и яйцеклеток; при этом яйцеклетки одеваются рядом зародышевых оболочек, а сперматозоиды приобретают жгутики, обеспечивающие их подвижность. У самок многих видов животных мейоз и формирование яйца завершаются после проникновения сперматозоида в цитоплазму ооцита, но до слияния ядер сперматозоида и яйцеклетки.

У растений Г. отделен от мейоза и начинается в гаплоидных клетках — в спорах (у высших растений — микроспоры и мегаспоры). Из спор развивается половое поколение растения — гаплоидный Гаметофит, в половых органах которого — гаметангиях (мужских — антеридиях женских — архегониях путём митозов происходит Г. Исключение составляют голосеменные и покрытосеменные растения, у которых сперматогенез идёт непосредственно в прорастающей микроспоре — пыльцевой клетке. У всех низших и высших споровых растений Г. в антеридиях — это многократное деление клеток, в результате которого образуется большое число мелких подвижных сперматозоидов. Г. в архегониях — формирование одной, двух или нескольких яйцеклеток. У голосеменных и покрытосеменных растений мужской Г. состоит из деления (путём митоза) ядра пыльцевой клетки на генеративное и вегетативное и дальнейшего деления (также путём митоза) генеративного ядра на два спермия. Это деление происходит в прорастающей пыльцевой трубке. Женский Г. у покрытосеменных растений — обособление путём митоза одной яйцеклетки внутри 8-ядерного зародышевого мешка. Основное различие Г. у животных и растений: у животных он совмещает в себе превращение клеток из диплоидных в гаплоидные и формирование гаплоидных гамет; у растений Г. сводится к формированию гамет из гаплоидных клеток.

Дата добавления: 2015-12-16 | Просмотры: 1018 | Нарушение авторских прав