Тема 2. Цитологические основы наследственности и изменчивости

Тезисы лекций по ОБЩЕЙ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГЕНЕТИКЕ

Тема 1. Предмет, методы, задачи и история развития генетики

Генетика как наука о законах наследственности и изменчивости организмов, методы управления этими процессами.

Законы воспроизведения живого по поколениям, появление новых свойств, законы онтогенеза, материальная основа преобразований организмов в филогенезе.

Объекты генетики: вирусы, бактерии. ГРИБЫ, растения, животные и ЧЕЛОВЕК. Единство органичес кого и неорганического мира.

Изучение законов наследственности на основании фенотипических  данных.

Понимание механизмов наследственности. Роль генов как элементарных носителей наследственной информации, хромосомная теория наследственности и т.д. Применение методов цитологии, молекулярной биологии и др. наук. Особенности организации и функционирования генов у эукариотов и прокариотов.

Грегор Мендель. Корренс, Чермак и Де Фриз. Бэтсон, Йоханнсен, Морган и сотр. Роль представителей классической генетики..

Молекулярная генетика. Роль ДНК, триплетный код, биосинтез белка, рестриктазы, секвенирование ДНК.

Развитие генетики в СССР. Вавилов, Кольцов, Серебровский и др. Вред лысенковщины.

Основные методы генетики: гибридологический (внутри видовой, отдаленный): моногибридный, дигибридный, полигибридный; искусственного мутагенеза, искусственного получения полиплоидов; биометрические, биохимические; рекомбинационный, моносомный, генеалогический, феногенетический и др.

Задачи: повышение продуктивности животных и растений, предотвращение вредных воздействий генов, селекция животных на иммунитет, использование гетерозиса в животноводстве и растениеводстве, генетическая инженерия, гибридизация соматических клеток, культуры клеток и тканей, макро- и микроудобрения, ядохимикаты, гербициды и др.

 

Тема 2. Цитологические основы наследственности и изменчивости

Законы наследования. Доминантные и рецессивные признаки. Гомо- и гетерозиготы. Фенотип и генотип. Аллельные признаки.

Обобщения Менделя: 1) при моногибридном скрещивании наблюдается явление доминирования; 2)в результате последующих скрещиваний гибридов происходит расщепление признаков в соотношении 3: 1; 3) особи содержат либо только доминантные, либо только рецессивные, либо смешанные задатки.

Опыты Менделя с 22 сортами гороха, которые имели четкие альтернативные различия по 7 признакам: семена круглые или угловатые, семядоли желтые или зеленые, кожура семян серая или белая, цветки пазушные или вехушечные, семена гладкие или морщинистые, желтые или зеленые, растения высокие или карликовые. Мендель путем самоопыления отбирал для скрещивания гомозиготных линий, гибриды проявляют только один признак.

На основе изменчивости появляется генетическое разнообразие форм, которые в результате действия естественного отбора  преобразуются в новые подвиды и виды.

Модификационная изменчивость не вызывает изменений генотипа. Норма реакции. Свойства модификаций: 1) ненаследуемость, 2)групповой характер изменений, 3) соотнесение изменений действию определенного фактора среды, 4) обусловленность пределов изменчивости генотипом.

Генотипическая изменчивость: мутационная и комбинативная. Классификация мутаций. Доминантные и рецессивные, летальные и полулетальные, генеративные и соматические хромосомные и генные, индуцированные и другие мутации.

Свойства мутации: 1) возникают внезапно, скачкообразно, 2) наследственны, т.е. передаются из поколения в поколение, 3) ненаправленные – мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненноважных признаков, 4) могут возникать повторно, 5) могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными.

Комбинативная изменчивость возникает при обмене гомологичными участками гомологичных хромосом в мейозе, а также вследствия независимого расхождения хромосом при мейозе и случайного их сочетания при скрещивании. Она возникает: 1) при кроссинговере во время профазы первого мейотического деления, 2) во время независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе второго мейотического деления, 3) во время независимого расхождения дочерних хромосом в анафазе второго мейотического деления, 4) при слиянии разных половых клеток.

 

 

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости (Вавилов): внутри разных видов и родов, генетически близких, т.е. имеющих единое происхождение, наблюдаются сходные ряды наследственной изменчивости. К примеру, зная характер наследственных изменений у одних сортов можно предвидеть сходные изменения у родственных видов и, воздействуя на них мутагенами, вызывать у них подобные полезные изменения, что облегчает получение хозяйственно ценных форм.

Наследственные дефекты и уродства, присущие человеку, отмечены и у животных: катаракта глаза у мыши, крысы, собаки, лошади; гемофилия – у мыши и кошки; диабет – у крысы; врожденная глухота – у морской свинки, мыши и собаки; заячья губа – у мыши, собаки, свиньи и т.д.

Тема 3. Генетика пола

Биология пола. Пол – это совокупность признаков и свойств организма, обеспечивающих воспроизводство потомства и передачу наследственной информации. Половое размножение обеспечивает рекомбинацию генов и генотипическую адаптацию, т.е. лучшую приспособленность к изменяющимся условиям внешней среды.

Признаки, по которым различаются особи разных полов, делятся на первичные и вторичные половые признаки. К первичным половым признакам относятся те морфологические и физиологические особенности организма, которые обеспечивают образование гамет и соединение их в процессе оплодотворения: гонады, половые пути и наружные гениталии. Из числа вторичных половых признаков выделяют три группы:- ограниченные полом признаки;-признаки, сцепленные с полом;- признаки, доминирование или рецессивность которых определяется полом.

К ограниченным полом признакам относят различия полов по размерам (самки некоторых видов крупнее самцов или наоборот). Более яркая окраска у самцов, шпоры у петухов, признаки молочности у коров, яйценоскость у кур – все это признаки, ограниченные полом.

Признаки, сцепленные с полом. Это признаки, гены которых находятся в половых хромосомах. Например, в Х-хромосоме находятся ген окраски глаз дрозофилы, ген цветной слепоты (дальтонизм) и гемофилии у человека.

К третьей группе признаков относится, например, наличие рогов у самцовнекоторых пород овец. Причем рога проявляются у самцов уже при гетерозиготности по факту рогатости, самки остаются комолыми (безрогими), рога у них развиваются при гомозиготности по гену рогатости. Считают, что по этому типу наследуется облысение у человека.

Различие особей мужского и женского пола называется половым диморфизмом.

Хромосомная теория определения пола. У большинства видов млекопитающих и птиц половина особей при рождении являются самцами, половина – самками, т. е. соотношение 1:1. У млекопитающих и человека, а также у дрозофилы соматические клетки женских особей имеют одну пару гомологичных хромосом, обозначаемых ХХ, а мужских особей – ХY.

При мейозе у самок образуется один сорт яйцеклеток, у самцов – два сорта: половина с Х-хромосомой, половина с Y-хромосомой. Половые клетки называются гаметами. Пол, образующий один тип гамет, назван гомогаметным, а пол, образующий два типа гамет – гетерогаметным.

Различают  следующие типы хромосомного определения пола: XY, XO, ZW, ZO.При гетерогаметности мужского пола самцы содержат либо одну Х-хромосому, либо Х- и Y-хромосому. XY-тип характерен для млекопитающих, большинства позвоночных и некоторых беспозвоночных, встречается у человека и дрозофилы. ХО-тип встречается у большинства прямокрылых, клопов, жуков, пауков.При гетерогаметности женского пола самцы содержат две Z-хромосомы, а самки либо Z и W, либо одну Z-хромосому.

Соотношение полов. Существует генетический механизм определения пола, обеспечивающий соотношение 1:1. Для того, чтобы это соотношение проявилось у новорожденных, необходимы следующие условия:

1) Особи гетерогаметного (мужского) пола должны образовывать половину гамет, определяющих мужской пол, и половину – женский.2) Гаметы при всех условиях должны обладать одинаковой жизнеспособностью.3) Гаметы, определяющие мужской и женский пол, должны обладать равной способностью к оплодотворению.4) Самцы и самки должны обладать одинаковой жизнеспособностью при рождении.5) Число животных, по которым вычисляется соотношение полов, должно быть достаточно большим.

Различают три типа соотношения полов: 1) первичное – при оплодотворении яйцеклеток;2) вторичное – при рождении или вылуплении;3) третичное – для какого-либо более позднего возраста, при рождении, в 1, 2, 10, 70 лет и т. д.

У млекопитающих и человека под соотношением полов понимают вторичное соотношение, у птиц – первичное.У человека при рождении соотношение полов 103-107 ♂♂: 100 ♀♀.

Наследование признаков, сцепленных с полом. Наследование признаков, гены которых находятся в половых хромосомах, называется наследованием, сцепленным с полом. Изучая наследование таких признаков, сцепленных с полом, Т. Морган установил наличие связи определенных генов с половыми хромосомами у дрозофилы и тем самым заложил основу хромосомной теории наследственности.

Примером сцепленной с полом наследственности у организмов с ХY-типом половых хромосом может быть наследование гена А, расположенного в Х-хромосоме дрозофилы и определяющего окраску глаз (доминантный ген А определяет красную окраску глаз, а рецессивный ген а – белую).

Если самку дрозофилы с белыми глазами и генотипом аа скрестить с самцом, имеющим красные глаза и генотип А (так как ген имеется только в хромосоме Х), то в F₁ все самцы будут иметь белые глаза (Х-хромосомуони получат от матери, у которой в Х-хромосоме имеется ген а), а все самки – красные глаза, так как одну Х-хромосому они получат от матери, а другую - от отца, имеющую доминантный ген А. В F₂ половина самок и самцов будут иметь белые глаза, а вторая половина – красные. Это соответствует распределению в F₂ «отцовских» и «материнских» Х-хромосом исходных особей. Таким образом, доминантный ген А, расположенный в Х-хромосоме самца, передается от отца к дочерям и от них внукам и внучкам.

Иначе обстоит дело в тех скрещиваниях, где мать гомозиготна по гену А и имеет красные глаза, а отец обладает геном а и имеет белые глаза.В этом случае все гибриды F₁, как самцы, так и самки, имеют красные глаза, но самки гетерозиготны и являются носительницами рецессивного гена а. В F₂ половина самцов имеют белые глаза, а половина самок – носительницы гена а. Таким образом, рецессивный ген а, расположенный в Х-хромосоме самца передается от отца через дочерей-носительниц к внукам.

Y-хромосома обычно не содержит генов, поэтому ген, локализованный в половой Х-хромосоме самца любого млекопитающего, будет передаваться его дочерям, а не сыновьям. Если этот ген рецессивен и если у дочерей имеется полученный от матери его доминантный аллель, то действие этого рецессивного гена не проявится. Наоборот, если рецессивный ген имеется в одной их Х-хромосом самки, а в другой Х-хромосоме отсутствует, то этот сцепленный с полом ген может передаваться половине не только сыновей, но и дочерей самки. Если этот ген полностью рецессивен и если дочь получит от своего отца доминантный аллель этого гена, то его фенотипическое действие не проявится. Если сын получит рецессивный ген от матери, то у сына проявится сцепленный с полом рецессивный признак, так как Y-хромосома не содержит доминантного аллеля.

Признаки, сцепленные с полом, у человека. У человека более 1000 генов сцепленные  с Х-хромосомой, в том числе гемофилия, цветовая слепота, мышечная дистрофия Дюшена, потемнение эмали зубов и другие. Часть генов локализована в Y-хромосоме, а часть в Х-хромосоме.

Локализация генов в Y-хромосоме установлена для некоторых случаев синдактилии (перепончатое сращение второго и третьего пальцев на ноге), чешуйчатости кожи, пертрихоза края ушной раковины (ряды волос).

Признаки генов, локализованных в Y-хромосоме, передаются только по мужской линии и наследуются сыновьями.

Х-сцепленный рецессивный тип наследования характерен для таких патологий как дальтонизм и гемофилия.

Если женщина, больная дальтонизмом, выходит замуж за мужчину с нормальным зрением, то у их детей наблюдается перекрестное наследование. Все дочери от такого брака получат ген отца, и будут иметь нормальное зрение, а сыновья получат ген матери и дальтонизм. Это происходит потому, что сыновья получают Х-хромосому только от матери. Дочери получают одну Х-хромосому от отца, а другую от матери, и все имеют нормальное зрение, так как ген дальтонизма рецессивен. Если дочь от такого брака выйдет замуж за дальтоника, то у них будет рождаться половина сыновей и дочерей с нормальным зрением, а половина дальтоников.

Если отец является дальтоником, а мать имеет нормальное зрение, то все дети от этого брака будут иметь нормальное зрение. При этом все дочери становятся носителями дальтонизма, что может проявиться в последующих поколениях.

Однако если гетерозиготная женщина вступают в брак с мужчиной с нормальным зрением, то все дочери будут иметь нормальное зрение, а среди сыновей половина будет дальтониками.

Другим примером наследования, сцепленного с полом, является рецессивный полулетальный ген, вызывающий несвертываемость крови на воздухе – гемофилию. Это заболевание появляется почти исключительно у мальчиков. Передает болезнь мать, гетерозиготная по рецессивному гену гемофилии. Наследуется этот признак так же, как дальтонизм.

Х-сцепленный доминантный тип наследования характерен для некоторых форм патологий, например, витамин D-резистентному рахиту, который вызывает недостаточность органического фосфора в крови. Заболевание проявляется как у гомозигот, так и у гетерозигот. В браке больного мужчины со здоровой женщиной наблюдаются следующие особенности наследования патологии:1) все сыновья и их дети-мальчики будут здоровыми, так как от отца им может передаться только Y-хромосома;2) все дочери будут гетерозиготами и фенотипически больными.

В браке гетерозиготных больных женщин со здоровыми мужчинами соотношение больных и здоровых детей 1:1, и половых различий нет. Отмечается более сильное проявление болезни у сыновей, так как у них отсутствует компенсирующее действие нормального аллеля.

Другим примером доминантного гена, локализованного в Х-хромосоме человека, может служить ген, вызывающий дефект зубов, приводящий к потемнению эмали.

Наследование признаков, ограниченных полом. Некоторые признаки, независимо от сцепления с полом, проявляются у особей только одного пола. Такие признаки называются ограниченными полом. Примером ограниченных полом признаков являются крипторхизм, паховая грыжа и «болезнь белых телок».

Крипторхизм – это неопущение одного или обоих семенников в мошонку. Встречается у млекопитающих и человека. При паховой грыже петли кишечника проходят через паховое кольцо в мошонку. Встречается также у человека и млекопитающих. «Болезнь белых телок» связана с нарушением развития у эмбрионов самок крупного рогатого скота с белой окраской шерсти мюллеровых протоков. В результате формируется ненормальная матка и влагалище.

Контролируемые полом признаки. Эти признаки проявляются у особей обоих полов, но у одного пола в большей  степени и чаще, чем у другого. Примером такого признака является наследование плешивости у мужчин и женщин. У мужчин ген плешивости доминирует, а у женщин нет. Поэтому у мужчин для облысения достаточно одного доминантного аллеля гена, тогда как у женщин для облысения необходима гомозиготность по этому доминантному аллелю.

Появление контролируемых полом признаков определяется соотношение количества мужского и женского полового гормона в крови. Женский половой гормон в данном случае препятствует проявлению доминантного гена, а мужской гормон – способствует.