Тема 1 Введение в курс. История генетики

ГЕНЕ́ТИКА (от греч. genesis — происхождение), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. В зависимости от объекта исследования различают генетику микроорганизмов, растений, животных и человека, а от уровня исследования — молекулярную генетику, цитогенетику и др. Основы современной генетики заложены МЕНДЕЛЬ Грегор Иоганн, открывшим законы дискретной наследственности (1865), установившего в опытах по гибридизации сортов гороха важнейший законы наследования признаков, которые впоследствии легли в основу генетики. А так же школой Т. Х. Моргана, обосновавшей хромосомную теорию наследственности (1910-е гг

Первая принадлежала Ч. Дарвину, назвавшему ее «временной гипотезой пангенезиса». В этой гипотезе половые клетки содержат особые частицы, определяющие развитие признаков потомков.

Во второй гипотезе, выдвинутой немецким ботаником К. Негели, каждая клетка организма содержит особое вещество («идиоплазму»), определяющее наследственные свойства организма.

Наиболее детализированной была третья гипотеза, предложенная немецким зоологом А. Вейсманом. Он тоже считал, что в половых клетках есть особое вещество — носитель наследственности («зародышевая плазма»). Опираясь на сведения о механизме деления клетки, Вейсман отождествлял это вещество с хромосомами. Предположение о ведущей роли хромосом в передаче наследственных свойств было правильным и Вейсмана справедливо считают родоначальником хромосомной теории наследственности.

Датой рождения генетики принято считать 1900, когда три ботаника — Г. де Фриз (см. ДЕ ФРИЗ Хуго) (Голландия), К. Корренс (см. КОРРЕНС Карл Эрих) (Германия) и Э. Чермак (см. ЧЕРМАК-ЗЕЙЗЕНЕГГ) (Австрия), проводившие опыты по гибридизации растений, натолкнулись независимо друг от друга на забытую работу Г. Менделя.

Становление генетики как науки.

Первый этап получивший название менделизма, является периодом утверждения открытых Менделем законов наследования на основе гибридологических опытов, проведенных в разных странах на высших растениях и животных (лабораторные грызуны, куры, бабочки и др.), в результате чего выяснилось, что эти законы имеют универсальный характер. сложились и такие важные генетические понятия, как ген, генотип, фенотип

Отличительной чертой второго этапа развития генетики было создание и утверждение хромосомной теории наследственности. Ведущую роль в этом сыграли экспериментальные работы американского генетика Т. Моргана и его учеников (А. Стертевант, К. Бриджес и Г. Меллер), проведенные в период с 1909 по 1919 на дрозофиле. Эти работы, подтвержденные затем в др. лабораториях и на др. организмах, показали, что гены лежат в хромосомах клеточного ядра и что передача наследственных признаков, определяется поведением хромосом при созревании половых клеток и оплодотворении. Генетические работы школы Моргана показали возможность строить карты хромосом с указанием точного расположения различных генов. Хромосомная теория наследственности была крупнейшим достижением этого этапа развития генетики и во многом определила путь дальнейших генетических исследований.

Следующий этап связан с открытием искусственного мутагенеза. воздействию рентгеновских лучей на дрозофилу. Благодаря этому началось изучение закономерностей мутагенного действия излучений; обнаружилась прямая зависимость частоты индуцированных мутаций от дозы радиации..

Наиболее характерными чертами четвертого этапа истории генетики было бурное развитие работ по генетике физиологических и биохимических признаков, обусловленное вовлечением в круг генетических опытов новых для генетики объектов — микроорганизмов и вирусов.

В 1944 американский генетик О. Эйвери показала, что носителем наследственных информации организма служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) хромосом. открытие структуры молекул ДНК (т. н. двойной спирали) английским физиком Ф. Криком и американским генетиком Дж. Уотсоном в 1953. Последняя работа сыграла выдающуюся роль во всем последующем развитии генетики и всей биологии.

Психогене́тика (греч. psychе — душа и греч. genesis — происхождение)— наука о наследственности и изменчивости психических и психофизиологических свойств, возникшая на стыке психологии и генетики. В западной литературе чаще применяется термин «генетика поведения».

Предметом психогенетики является взаимодействие наследственности и среды в формировании межиндивидуальной вариантности психологических свойств человека (когнитивных и двигательных функций, темперамента). В последние годы активно развиваются такие отрасли психогенетики как генетическая психофизиология, исследующая наследственные и средовые детерминанты биоэлектрической активности мозга, генетика индивидуального развития, а также геномика поведения, изучающая влияние генетических эффектов на поведение и различные виды психопатологий. Методы психогенетики, позволяют определить влияние наследственных факторов и среды на формирование тех или иных психических особенностей человека. Основными методами психогенетики являются: популяционный, генеалогический, метод приемных детей и метод близнецов.

Пятый этап истории генетики характеризуется исследованием генетических явлений преимущественно на молекулярном уровне. Было установлено, что гены представляют собой участки гигантских полимерных молекул ДНК и различаются числом и порядком чередования составляющих их пар нуклеотидов. Совместными усилиями генетиков, физиков и химиков было выяснено, что наследственная информация, передаваемая от родителей потомкам, закодирована последовательностью нуклеотидных пар в генах. В расшифровке генетического кода оказавшегося универсальным для всех живых существ, главные заслуги принадлежат Ф. Крику, С. Бреннеру

основных типах изменчивости: наследственной, или генотипической, изменчивости, обусловленной генными и хромосомными мутациями и рекомбинацией генов, и ненаследственной, или модификационной, обусловленной воздействиями на признаки развивающегося организма различных факторов окружающей среды. В соответствии с этим было принято рассматривать фенотип организма как результат взаимодействия генотипа и факторов окружающей среды.

Тема 2 Основы классической генетики.

Фенотип — совокупность внешних и внутренних признаков организма, приобретённых в результате онтогенеза (индивидуального развития). Фенотип формируется на основе генотипа, опосредованного рядом внешне средовых факторов. Некоторые характеристики фенотипа напрямую определяются генотипом, например цвет глаз. Некоторые менделирующие признаки у человека

Доминантные признаки Рецессивные признаки

Волосы: темные вьющиеся не рыжие Волосы: светлые прямые рыжие

Глаза: карие большие Глаза: голубые маленькие

Близорукость Нормальное зрение

Ресницы длинные Ресницы короткие

Нос с горбинкой Прямой нос

Свободная мочка уха Приросшая мочка уха

Широкая щель между резцами Узкая щель между резцами

Полные губы Тонкие губы

Наличие веснушек Отсутствие веснушек

Лучшее владение правой рукой Лучшее владение левой рукой

Наличие пигмента Альбинизм

Положительный резус-фактор Отрицательный резус-фактор

► Ген (от греч. genos – род, происхождение) – это единица хранения, передачи и реализации наследствен¬ной информации.

► Генотип – это совокупность всех генов, полученных организмом от его родителей.

Ген представляет собой специфический участок молекулы ДНК, в структуре которого закодирована структура определенного полипептида (белка). В настоящее время выделяют три типа генов:

 гены, кодирующие белки, которые транскрибируются (переносятся) в РНК и затем транслируются (считываются) в белки, используя РНК как матрицу;

 гены, кодирующие РНК;

 гены-регуляторы.

Гены, кодирующие белки и РНК, называются «структурными генами» (5% генома). Их активность, «включение» и «выключение» определяются генами-регуляторами, составляющими незначительную часть (ок. 5%) среди остальных 95% генома.

► Экспрессия генов отражает активность генома человека на разных этапах онтогенеза.

В каждый конкретный момент клетка не использует всю содержащуюся в её хромосомах генетическую информацию. Кроме того, гены «включаются» и «выключаются» на разных этапах онтогенеза, повышая или понижая свою активность в определённые периоды жизни. Регуляция генной экспрессии имеет общей задачей – избежать напрасных затрат энергии и создать условия для того, чтобы клетка производила наиболее эффективным способом всё, в чём нуждается. Один и тот же ген может по-разному проявляться у разных особей. Степень выраженности признака отражается понятием «экспрессивности» (не путать с «экспрессией») гена, возможность проявления гена в признаке – его «пенетрантностью».

► Экспрессивность гена – это степень фенотипической выраженности одного и того же аллеля определённого гена у разных особей.

► Пенетрантностью гена называется частота проявления аллеля определённого гена у особей данной популяции.

Большинство генов проявляется в признаке у всех носителей соответствующего генотипа (полная пенетрантность – 100%), а некоторые – не у всех его обладателей (неполная пенетрантность). У человека не полностью пенетрантными обычно являются доминантные гены, контролирующие патологические признаки.

Действие одного гена на многие признаки отражается понятием «плей-отропии», на 1 признак – «монотропии».

Подавляющая часть генов расположена на хромосомах, которые находятся в ядрах клеток, при этом каждый ген имеет свои хромосомные координаты. Таким образом, основными носителями генетической информации, определяющей наследственные свойства организма, являются хромосомы.

Незначительная часть генов располагается в митохондриях цитоплазмы клеток.

► Хромосомы (от греч. chroma – цвет и somа – тело) – это линейные структуры, в которые организованы гены в ядре клетки.

► Кариотип – это хромосомный набор клетки (рис. 1), который в норме у человека состоит из 46 хромосом, разделенных на 23 пары (хромосомы, образующие пару, называются гомологичными хромосомами). 22 пары хромосом представляют собой аутосомы, 23-я пара – половые хромосомы.

► Аутосомы – это любые хромосомы человека, кроме половых.

Они не отличаются у мужчин и женщин. Гены, локализованные в аутосомах, отвечают за аутосомные признаки. Аутосомным рецессивным геном контролируются более 500 наследственных болезней, в том числе, относительно наиболее распространённые среди них – альбинизм и фенилкетонурия.

► Половые хромосомы (рис. 1) – у женщин это две Х-хромосомы (ХХ), а у мужчин – одна Х-хромосома и одна Y-хромосома (XY).

Половые хромосомы несут самые разнообразные гены, в том числе и не имеющие отношения к первичным и вторичным половым признакам, и определяют сцепленные с полом, или Х-сцепленные, признаки – дальтонизм, гемофилию, мышечную дистрофию Дюшенна и др.

► Гаплоидный кариотип (n) – это один экземпляр гомологичных хромосом. Он характерен только для половых клеток – яйцеклеток и сперматозоидов.

► Совокупность генов в гаплоидном кариотипе называется геномом.

При оплодотворении, когда сливаются мужская и женская половые клетки и образуется зигота, гаплоидный кариотип женской яйцеклетки восстанавливается до диплоидного за счёт гаплоидного кариотипа сперматозоида.

► Диплоидный кариотип (2n) – это два экземпляра гомологичных хромосом, или сумма двух гаплоидных кариотипов – набор из 46 хромосом, из которых 44 – аутосомы и 2 – половые хромосомы. Диплоидный набор хромосом характерен для соматических (не половых) клеток.

Диплоидный хромосомный набор состоит из пар гомологичных хромосом. Одна хромосома из каждой пары унаследована от материнского организма (А или а), другая – от отцовского (А или а). В результате, каждый ген на гомологичной хромосоме (отцовской) имеет соответствующий ген, локализованный в том же месте на другой гомологичной хромосоме (материнской). Такие парные гены (АА, Аа, аа) называются аллелями (от греч. alleon различные формы). Таким образом, у нормального диплоидного организма могут присутствовать только два аллеля, поскольку имеются только пары гомологичных хромосом. Если организм является носителем двух одинаковых аллелей (АА или аа), то это гомозиготный («подобный», «похожий») организм; если же он несёт разные аллели (Аа), то его называют гетерозиготным («непохожим»).

Когда в определенном участке хромосомы локализуется множество аллелей, представляющих собой альтернативные варианты гена, говорят о множественном аллелизме. Альтернативные формы аллелей возникают в результате изменения структуры гена за счёт таких генных процессов, как мутация и рекомбинация. Среди типов взаимодействия аллелей, ведущими являются доминантность и рецессивность.

Явление, при котором в фенотипе проявляется только один признак из альтернативной пары, называется доминированием, а ген, контролирующий данный признак, – доминантным геном, который обозначается заглавными буквами А, В, С и т.д. (аллель А, В, С и т.д. для каждого доминантного признака). Аллель другого родителя, не проявившаяся в фенотипе, но при-сутствующая в генотипе в «скрытом» виде, называется рецессивным геном, обозначаемым малыми буквами а, в, с и др. (аллель а, в, с и др. для каждого рецессивного признака).

Человек является носителем пары аллелей каждого гена, а по наследству своим потомкам передаёт только один аллель, поскольку половые клетки (яйцеклетка и сперматозоид) содержат по одной хромосоме каждой пары. Предметом изучения генетики являются два свойства организма – наследственность и изменчивость.

2. Наследственность – один из главных объектов изучения генетики

Процесс передачи наследственного материала от родителей потомкам называется наследованием. Закономерности наследования изучаются путём генетического анализа с помощью гибридологического метода (или метода скрещиваний), разработанного Г. Менделем. Сущность его состоит в следующем. Из множества признаков, по которым различаются представители одного вида, для анализа отбирается их ограниченное количество (один-два). Для скрещивания берется родительская пара, которая различается по анализируемым признакам. В ряду поколений ведут количественный учёт потомков.

Записывая скрещивание, на первое место обычно ставят женский пол, на второе – мужской. Потомок от родителей, имеющих разную наследственность, является гибридом. Скрещивания, в которых материнский и отцовский организмы берутся с различными вариантами признака (например, бела женщина × чёрный мужчина) называются реципроктными.

► Наследственность – это важнейшая особенность живых организмов, заключающаяся в способности сохранять и передавать одинаковые признаки и особенности развития от одного поколения организмов – другому (от родителей потомкам) с помощью генов, обеспечивая характер их индивидуального развития (онтогенеза).

Высшие организмы осуществляют воспроизведение себе подобных путём полового размножения, в результате слияния женской и мужской половых клеток, несущих определённую генетическую информацию. На основе этой информации происходит развитие организма, поэтому и говорят о наследовании признаков, хотя наследуются, строго говоря, не признаки, а гены, их определяющие. В основе наследования лежат процессы удвоения, объединения и распределения генетического материала.

Различают хромосомную и внехромосомную наследственность.

► Хромосомная наследственность связана с распределением носителей наследственности (генов) на хромосомах.

Хромосомное наследование подразделяют на:

– аутосомное – когда наследуемые гены располагаются на аутосомных хромосомах

– сцепленное с полом – когда наследуемые признаки располагаются на половых хромосомах – X или Y и действие доминантного мутантного гена проявляется в любом наборе половых хромосом (ХХ, XY, Х0 и др.).

– доминантное – когда наследуемое заболевание передаётся как доминантный признак – мутантный аллель

– рецессивное – когда оба родителя имеют по одному нормальному (Х) и одному мутантному рецессивному аллелю (х),

– зависимое от пола – когда наследуемые признаки (аллели) являются доминантными у одного пола, но рецессивными – у другого

– контролируемое (ограниченное) полом – когда гены, обусловливающие данный признак, находятся на аутосомах или половых клетках обоих полов, но проявляются лишь у одного

– моногенное – когда наблюдаемые различия между особями обусловлены аллелями одного гена

– полигенное – когда наблюдаемые различия между особями обусловлены аллелями нескольких генов

► Внехромосомная (цитоплазматическая) наследственность передача потомству отдельных признаков и свойств, обусловленных наследственными факторами, локализованными у животного организма в митохондриях цитоплазмы.

Признаки, которые находятся под контролем митохондриальных генов, получили название цитоплазматических. В случае наследственности, связанной с митохондриальной ДНК, наблюдается неменделевский тип наследования, при котором наследование идет только по материнской линии: от матери – всем детям. Митохондриальная ДНК яйцеклетки не подвержена рекомбинации (расщеплению) и наследуется как единый блок (гаплотип). Митохондрии же спермия расположены лишь в середине и на конце жгутика, который при оплодотворении не проникает в яйцеклетку, а головка спермия их не содержит. Таким образом, в зиготе оказываются лишь митохондрии, унаследованные по материнской линии вместе с цитоплазмой яйцеклетки. Это явление получило название цитоплазматической наследственности.

И всё же ядру, а не цитоплазме принадлежит основная роль в обеспечении преемственности развития признаков и особенностей развития. Поэтому общие закономерности наследования систематизированы в рамках так называемой хромосомной теории наследственности, которая была сформулирована в 1902 г. Сэттоном и Бовери. Её сущность состоит в утверждении положения, что наследственный фактор локализуется в хромосомных клетках, а главным положением теории является постулат, что «преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом».

► Первый закон Менделя – «правило единообразия гибридов первого поколения» – скрещивание особей, гомозиготных по разным аллелям, даёт генетически однородное потомство в первом поколении (F1), все особи которого гетерозиготны.

Явление полного доминирования наблюдается далеко не всегда. Иногда наблюдается промежуточный характер наследования, или неполное доминирование, когда фенотип гетерозиготы Аа по своей выраженности занимает промежуточное положение между фенотипами АА и Аа.

При сверхдоминировании фенотипический признак наиболее сильно выражается у гетерозиготы Аа (сильнее, чем у гомозигот АА и аа).

Если же в детерминации признака у гетерозиготы Аа участвуют оба аллеля, это явление носит название кодоминирования.

► Второй закон Менделя – «закон независимого расщепления» – при полном доминировании среди гибридов второго поколения (F2) особи с фенотипами исходных родительских форм и первого поколения встречаются в

При неполном доминировании и кодоминировании 50% гибридов второго поколения (F2) будут иметь фенотип гибридов первого поколения (F1) и по 25% – фенотипы исходных родительских форм (1: 2: 1).

► Третий закон Менделя – «закон независимого комбинирования (наследования) признаков» – каждая пара альтернативных признаков ведёт себя в ряду поколений независимо друг от друга, в результате чего среди потомков второго поколения (F2) в определённом соотношении появляются особи с новыми (по сравнению с родительскими) комбинациями признаков.

Например, в случае полного доминирования при скрещивании исходных форм, различающихся по двум признакам, в следующем поколении выявляются особи с четырьмя фенотипами в соотношении 9: 3: 3: 1. При этом два фенотипа имеют «родительские» сочетания признаков, а оставшиеся два – новые.

Законы Менделя в их классической форме действуют при наличии определённых условий, решающими из которых являются:

– гомозиготность исходных скрещиваемых форм;

– правильное течение мейоза (деления половых клеток);

– одинаковая жизнеспособность гамет и, соответственно, зигот;

– равная вероятность встречи любых гамет при оплодотворении;

– полная пенетрантность аутосомных генов (т. е. 100% частота проявления анализируемого признака у всех носителей аллеля, детерминирующего этот признак);

– постоянная экспрессивность (т. е. степень выраженности) признака у всех носителей аллеля, детерминирующего его развитие.

Нарушение этих условий может приводить либо к отсутствию расщепления во втором поколении, либо к расщеплению в первом поколении, либо к искажению соотношения различных генотипов и фенотипов.

Задача 2.1

Ген черной масти у крупного рогатого скота доминирует над геном красной масти. Какое потомство получится от скрещивания чистопородного черного быка и красных коров? Какое потомство получится при скрещивании между собой гибридов?

Задача 2-2

Гладкая окраска арбузов наследуется как рецессивный признак. Какое потомство получится от скрещивания двух гетерозиготных растений с полосатыми плодами?

Выяснение генотипов родителей по расщеплению в потомстве

Задача 2.3

Способность человека ощущать горький вкус, доминантный признак, ген которого расположен в 17 аутосоме. В семье мать и дочь ощущают горький вкус, а отец и сын не ощущают. Определить генотипы всех членов семьи.

Задача 2.4

У человека ген, вызывающий одну из форм наследственной глухонемоты, рецессивен по отношению к гену нормального слуха. От брака глухонемой женщины с нормальным мужчиной родился глухонемой ребенок. Определите генотипы всех членов семьи

Задача 2.5

Седая прядь волос у человека – доминантный признак. Определить генотипы родителей и детей, если известно, что у матери есть седая прядь волос, а у отца нет. Из двоих детей у одного есть седые пряди, а у другого нет.

Задача 2-6

Комолость у крупного рогатого скота доминирует над рогатостью. Комолый бык Васька был скрещен с тремя коровами. От скрещивания с рогатой коровой Зорькой родился рогатый теленок, с рогатой коровой Буренкой – комолый. От скрещивания с комолой коровой Звездочкой родился рогатый теленок. Каковы генотипы всех животных, участвовавших в скрещивании?

Задача 2.7

У морских свинок ген мохнатой шерсти (R) доминирует над геном гладкой шерсти (r). Мохнатая свинка при скрещивании с гладкой дала 18 мохнатых и 20 гладких потомков. Каков генотип родителей и потомства? Могли бы у этих свинок родиться только гладкие особи?

Задача 2.8

У овса ранняя спелость доминирует над позднеспелостью. На опытном участке от скрещивания позднеспелого овса с гетерозиготным раннеспелым получено 69134 растения раннего созревания. Определить число позднеспелых растений.

Задача 2.9

Плоды томата бывают круглыми и грушевидными. Ген круглой формы доминирует. В парниках высажена рассада, полученная из гибридных семян. 31750 кустов имели плоды грушевидной формы, а 92250 – круглой. Сколько было среди выросших кустов гетерозиготных растений?

Задача 2.10

Одна из форм шизофрении наследуется как рецессивный признак. Определить вероятность рождения ребенка с шизофренией от здоровых родителей, если известно, что бабушка со стороны отца и дед со стороны матери страдали этими заболеваниями.

Задача 2.11

Фенилкетонурия (нарушение аминокислотного обмена) наследуется как рецессивный признак. Жена гетерозиготна по гену фенилкетонурии, а муж гомозиготен по нормальному аллелю этого гена. Какова вероятность рождения у них больного ребенка?

Задача 2.12

Ирландские сеттеры могут быть слепыми в результате действия рецессивного гена. Пара животных с нормальным зрением дала помет из нескольких щенков, один из которых оказался слепым. Установить генотипы родителей. Один из зрячих щенят из этого помета должен быть продан для дальнейшего размножения. Какова вероятность того, что он гетерозиготен по гену слепоты?

Задача 2.13

От скрещивания комолого (безрогого) быка с рогатыми коровами получились комолые и рогатые телята. У коров комолых животных в родословной не было. Какой признак доминирует? Каков генотип родителей и потомства?

Задача 2.14

Дурман, имеющий пурпурные цветы, дал при самоопылении 30 потомков с пурпурными и 9 с белыми цветами. Какие выводы можно сделать о наследовании окраски цветов у растений этого вида? Какая часть потомства F1 не даст расщепления при самоопылении?

Задача 2.15

При скрещивании серых мух друг с другом в их потомстве F1 наблюдалось расщепление. 1392 особи были серого цвета и 467 особей – черного. Какой признак доминирует? Определить генотипы родителей.

Задача 2-16

Две черные самки мыши скрещивались с коричневым самцом. Одна самка дала 20 черных и 17 коричневых потомков, а другая – 33 черных. Какой признак доминирует? Каковы генотипы родителей и потомков?

Задача 2-17

У двух здоровых родителей родился ребенок альбинос. Второй ребенок был нормальным. Доминантный или рецессивный ген определяет альбинизм? Определить генотипы родителей и детей.

Задача 2-18

При скрещивании серых кур с белыми все потомство оказалось серым. При скрещивании этого потомства опять с белыми получилось 172 особи, из которых 85 серых. Какой признак доминирует? Каковы генотипы обеих форм и их потомства?

Задача 2-19

При скрещивании нормальных дрозофил между собой в их потомстве 25% особей оказались с уменьшенными глазами. Последних скрестили с родительскими особями и получили 37 мух с уменьшенными и 39 с нормальными глазами. Определить генотипы скрещиваемых в обоих опытах дрозофил.

Задача 2-20

У Пети и Саши карие глаза, а у их сестры Маши – голубые. Мама этих детей голубоглазая, хотя ее родители имели карие глаза. Какой признак доминирует? Какой цвет глаз у папы? Напишите генотипы всех перечисленных лиц.