Свойства генетического кода

1. Генетический код универсален – един для всех организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека).

2. Код триплетный. Месторасположение каждой аминокислоты кодируется сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в мРНК, образующих один специфический кодон.

3. Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом – метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).

4. Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении – от 5' к 3', триплет за триплетом.

5. Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5', является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.

6. Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.

В каждой клетке в молекулах ДНК закодирована вся генетическая информация, которая может быть реализована в онтогенезе через биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и морфологических признаков.

Один из важнейших подходов к биохимической генетике – индукция, выделение и изучение мутантов (на примере дрожжей, бактерий). Выход мутантов можно увеличить с применением пенницилина, который препятствует синтезу клеточной стенки у бактерий и воздействует только на активно делящиеся клетки. Если клетки, выжившие после мутагенного воздействия, инкубировать в искусственной среде, прототрофы начнут расти и делиться. Подобные методы существуют и для одноклеточных и нитчатых грибов.

В изучении биохимической природы мутаций можно выделить три уровня:

а) проверка способности мутантов использовать известные или предполагаемые промежуточные продукты метаболического пути синтеза аргинина,

б) изучение накопления или выделения промежуточных продуктов биосинтетического пути в мутантных клетках,

в) точная идентификация нарушения метаболизма путем прямого исследования ферментов биосинтеза.

Например, мутанты, у которых нарушено использование глюкозы, обнаруживают следующим образом: после мутагенной обработки культуру высевают на индикаторную среду, содержащую лактозу, а также красители эозин и метиленовый синий (ЭМС). Колонии, которые могут расщеплять лактозу, окрашиваются красителями в красновато-зеленый цвет, а мутантные клетки не окрашиваются и образуют маленькие белые колонии. Соответствующие мутации можно отнести к одному гену (z) – структурному гену бетта-галактозидазы.

Применение цис-транс-теста к мутациям позволяет провести их генетико-биохимический анализ.

Закономерности цис-транс-теста.

1. Для отбора мутантов обычно используют у них способности выполнять какую-либо функцию – расти на искусственной среде, регулировать синтез какого-либо метаболита. Или (в случае фагов) расти на определенном штамме бактерии-хозяина. Эти признаки свидетельствуют, что данные мутации относятся к рецессивным.

2. Если два мутантных генома, утративших одну и ту же функцию поместить в общую цитоплазму, то конечный фенотип культуры будет мутантным.

3. Если в общую цитоплазму ввести два мутантных генома, у которых нарушены разные функции, то фенотип культуры будет диким.

Применение цис-транс-теста позволяет определить генетическую функциональную единицу, цистрон. Этот термин был предложен в 1957 г. Бензером. Как правило, термины «ген» и «цистрон» синонимичны, и их можно использовать как взаимозаменяемые.

Метод, позволяющий определить последовательность оснований во фрагментах ДНК, разработанный Максамом и Гилбертом в 1977 г. При работе этим методом ДНК расщепляют, удаляя из нее четыре разных основания. Для удаления оснований используют следующие реакции.

а. Реакция с диметилсульфатом в кислой среде. При этом происходит преимущественно удаление гуанина по сравнению с аденином.

б. Реакция с диметилсульфатом в присутствии NaCl. При этом удаляется преимущественно аденин.

в. Реакция с гидразином в присутствии пиперидина. При этом удаляются тимин и цитозин.

г. Реакция с гидразином и пиперидином в присутствии NaCl. В этом случае удаляется только цитозин.

Фрагмент ДНК метят по концам ³²Р и обрабатывают в таких условиях, чтобы атаке подверглось только одно из ста оснований. В результате образуется ряд фрагментов, соответствующих скажем, расщеплению по каждому аденину. Полученные фрагменты разделяют по длине и, следовательно, по положению удаленных оснований с помощью гель-электрофореза. Одновременный электрофорез препаратов, полученных при четырех различных воздействиях, позволяет исследователю прочитать последовательность оснований ДНК. Этот метод дает возможность расшифровать последовательности длиной до 100 нуклеотидов; для расшифровки более длинных фрагментов необходимо разрезать исходный фрагмент фрагментами рестрикции, расшифровать образующиеся куски по отдельности и затем построить общую картину.

Общий состав генома любого организма можно изучать, исследуя кинетику реассоциации. При использовании этого метода ДНК нарезают на фрагменты длиной примерно 300 пар оснований и денатурируют нагреванием при 96⁰ С. При понижении температуры комплементарные одноцепочечные фрагменты могут реассоциировать. Кинетику этого процесса прослеживают спектрофотометрически или путем выделения двухцепочечных молекул на гидроксиапатите. Скорость реассоциации зависит от степени повторяемости данной последовательности в образце. Исследования показали, что 30% генома составляют относительно простые последовательности. Остальные 70% генома состоят из уникальных последовательностей.

Гилберт предложил называть последовательности, которые входят в состав зрелой м РНК, экзонами, так как они экспрессируются, а те промежуточные последовательности, которые хотя и транскрибируются, но затем вырезаются из транскрипта до того, как он выходит из ядра, интронами.

Генетика пола

Детерминация пола и механизм его наследования

В ходе эволюции у большинства раздельнополых организмов сформировался механизм детерминации пола, обеспечивающий образование равного количества самцов и самок, что необходимо для нормального самовоспроизведения видов. Детерминация пола может происходить на разных этапах размножения. Различают три основных типа половой детерминации:

1) эпигамный, когда пол особи определяется в процессе онтогенеза. Детерминация пола в данном случае значительно зависит от внешней среды (самцы морского червя живут в матке самки, если личинка оседает на дно, то превращается в самку, а если проникнет в тело самки – в самца);

2) прогамный, когда пол будущего дочернего организма определяется в ходе гаметогенеза у родителей особи (коловратки, тля, кольчецы);

3) сингамный, при котором пол дочерней особи определяется в момент слияния гамет с образованием зиготы. Это наиболее распространенный тип детерминации пола, характерный для всех видов животных.

При прогамном и сингамном типах детерминации пол зависит от определенных половых хромосом.

У самок млекопитающих в диплоидном наборе хромосом выделяют последнюю пару одинаковых по форме половых хромосом, обозначаемых ХХ-хромосомами (гомогаметный пол). Самцы в кариотипе содержат Х- и Y –хромосомы (гетерогаметный пол – два типа гамет). Самцов обычно рождается на несколько процентов больше, чем самок, но в ходе эволюции повышена смертность самцов.

У птиц, пресмыкающихся и бабочек, наоборот, самки имеют гетерогаметный пол - ZW, а самцы – гомогаметный ZZ. У пчел половых хромосом нет, поэтому пол зависит от количества аутосом. В соматических клетках матки и рабочей пчелы содержится 32 аутосомы, а у трутня – 16 аутосом.

У дрозофилы возникновение пола зависит не только от присутствия половых хромосом, но и от соотношения аутосом. Это балансовая теория определения пола К.Бриджеса (1919). Все особи с балансом хромосом (или половым индексом) Х:А=1 – самки, Х:2А=0,5 – самцы. Баланс хромосом от 1 до 0,5 определяет промежуточное развитие пола, то есть интерсексуальность. Соотношение 3Х:2А=1,5 ведет к развитию сверхсамок. Х+Y:3А=0,33 определяет развитие сверхсамцов. Гинандроморфы – насекомые у которых одни участки тела женские, а другие – мужские.

Организмы обладают бисексуальностью, то есть способностью при определенных условиях формировать женский или мужской пол. У крупного рогатого скота иногда рождаются двойни. В случае разнополых близнецов бычки развиваются нормально, а телочки в 95% случаев оказываются интерсексами (наружные гениталии женского типа, а внутренние органы – мужского). Таких животных называют фримартинами; они всегда бесплодны. Существует две теории образования фримартинов: гормональная и клеточная. Поскольку мужской гормон тестостерон начинает продуцироваться раньше, то длительное воздействие на женские половые органы приводит к недоразвитию последних. Присутствие Y-хромосомы в кариотипе телок-фримартинов и изменение у них признаков в сторону мужского пола – явное свидетельство ее влияния на половые признаки. Цитогенетический анализ является надежным методом ранней диагностики фримартинизма у телок.

У домашних животных существуют разные формы интерсексуальности, которые объединяются под названием гермафродитизм. Кроме того, обнаружены отдельные формы, очень сходные с известными синдромами у человека – синдромами Клайнфельтера (ХХY) и Тернера (ХО). У крупного рогатого скота ХХY синдром наблюдали в сочетании с Х-трисомией. Характерными признаками животных были нарушения роста и развития, двухсторонняя гипоплазия семенников с олиго- и некроспермией и другими изменениями. Синдром Тернера характеризуется женским фенотипом с дисгезией гонад и другими генитальными дефектами. Цитологически - отсутствует вторая Х-хромосома. Образование гермафодитов – особей имеющих гонады и (или) половые органы противоположных полов, рассматриваются как результат нарушения мейоза в период развития бластоцисты. Животные с признаками гермафродитизма своевременно должны выделяться в группы откорма.

Диагностику пола интерсексов и гермафродитов впервые определил Барр М. в 1949 г. на основании обнаружения телец Барра или полового хроматина в ядре клеток. Это тельце встречается только в ядрах клеток самок. Количество телец Барра всегда на единицу меньше числа Х-хромосом. Так, если у самок обнаруживают два тельца Барра, то они являются носителями трисомии по Х-хромосоме. Если половой хроматин отсутствует, то у особи женского пола имеется только одна Х-хромосома. Если у самца обнаруживают тельце Барра, Это значит, что у него в кариотипе не одна, а две Х-хромосомы.

Наследственные аномалии животных, сцепленные с полом.

У сельскохозяйственных животных установлено несколько форм врожденных аномалий, обусловленных генами, локализованными в половых хромосомах. Как правило, они имеют рецессивный характер проявления, и при этом поражаются преимущественно особи гетерогаметного пола – у млекопитающих самцы, у птиц – самки. Сцепленные с полом летальные и сублетальные аномалии изменяют численное соотношение полов при рождении или после него вследствие гибели или браковки у млекопитающих самцов, у птиц – самок. Например, установлена такая аномалия, как врожденная деформация передних конечностей в сочетании с анкилозом суставов, изученная у животных черно-пестрой, сычевской и костромской пород, проявляется, как правило, у бычков, родственных между собой, что указывает на сцепленное с полом наследование. У собак обнаружено заболевание геофилией. Явление гемофилии заключается в утрате кровью нормальной способности к свертыванию. Симптомы гемофилии обычно проявляются впервые у щенят в возрасте от шести недель до трех месяцев. В число обычных симптомов входят: хромота (следствие кровоизлияний в суставы), сильная подкожная припухлость и в конечном итоге паралич одной или нескольких конечностей. Небольшие царапины могут оказаться для щенят-гемофиликов смертельными.

Передача через половые хромосомы признаков, сцепленных с Х- и Y-хромосомами, указывает на то, что на особь мужского пола большее влияние оказывает наследственность матери и ее предков, передавших Х-хромосому, которая является носителем генов для ряда признаков. Наследственность же отца, передавшего сыну Y-хромосому, генетически малоактивна.

Проблема регуляции пола у сельскохозяйственных животных

В молочном скотоводстве более желательным является рождение телочек, а в мясном – бычков. В яичном птицеводстве экономически выгодно получать больше курочек, а в мясном – петушков. С тонкорунных баранов настригают вдвое больше шерсти, чем с овец, оленьи панты можно получить только у самца. У тутового шелкопряда самцы дают на 25-30% больше шелка, чем самки, поэтому их преимущество очевидно. Регуляция соотношения полов у млекопитающих может быть достигнута такими путями:

1. Метод кислотно-щелочного анабиоза, который дает изменение соотношения Y:Х=20:80%. Этот метод основан на разной подвижности сперматозоидов. В кислой среде наиболее подвижны Х-спермии, а в щелочной -Y-спермии.

2. Метод разделения спермы на фракции путем электрофореза. Предполагают, что при этом спермии с разными половыми хромосомами отойдут к разным полюсам. При температуре в опыте 25оС на аноде накапливается спермы в соотношении Y:Х=75:25%, а на катоде – Y:Х=20:80%. При снижении температуры в опыте до 10оС результаты были обратными: на аноде накапливалось спермы в соотношении Y:Х=17:83%, а на катоде - Y:Х=83:17%.

3. Изменение pH женских половых путей. Обычно среда влагалища кислая. Однако при половом оргазме матка сокращается, и слизь из канала шейки матки, который имеет щелочную среду, поступает во влагалище и среда становится нейтральной. Если оргазм происходит у самки раньше, чем у самца, и спермии попали в нейтральную среду, то следует ожидать потомков мужского пола. Если оргазм у самца опережает оргазм самки, то спермии попадут во влагалище с кислой средой и следует ожидать потомство женского пола.

4. Центрифугирование спермы перед осеменением. Х-спермии будут на дне центрифужной пробирки, а Y–спермии – сверху.

5. Фракционирование спермиев по количеству ДНК и по их антигенному составу.

6. Учет возраста спариваемых особей. С возрастом родителей заметно снижается рождение самок (их было мало получено и от годовалых животных). При спаривании кур шестимесячного возраста выход самок был низким (27-33%), в потомстве же десятимесячных родителей он составил 47,5%, а двенадцатимесячных – 49,7%.

7. Метод программирования будущих детей относительно менструального цикла(Ф. Бенендо, 1970). Если спермии попадут в половые органы женщин за 4 дня (12-14 день после начала менструации) до овуляции (выхода зрелой яйцеклетки из яичника в матку), то в 84,7% случаев рождаются девочки, а если сразу после овуляции, то в 86,6% случаев рождаются мальчики.

У других видов продуктивных животных используют такое явление как партеногенез. Партеногенез – это развитие зародыша, а потом и организма без оплодотворения. Различают гиногенез и андрогенез. Гиногенез – это развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки, характерное для серебристого карася, так как в икринку проникает спермий другого вида; для некоторых пород кур и индеек. Андрогенез – это развитие потомков только за счет ядер спермиев, слитие которых происходит в яйцеклетке с утраченным ядром. Это характерно для тутового шелкопряда, паразитический осы, когда особи обладают только признаками отцовского вида. Разрушение ядер яйцеклетки в таком случае проводят рентгеновскими лучами (Б.Л.Астауров).

Генетические методы раннего распознавания пола.

В птицеводстве используют сцепленную с полом окраску перьев для различения пола у суточных цыплят. Скрещивали золотистых петухов с серебристыми курами. Из яиц вылуплялись желтые цыплята – это курочки, другие зеленовато-белые – это петушки.

Используя явление сцепленного сполом наследования, Пеннет в Англии создал породу кур камбар. Петушки более светлой окраски, чем курочки (пятнистый рисунок). А.С.Серебровский изучил признак полосатости у кур и установил, что он детерминирован геном, локализованным в половой хромосоме. У петушков имелись темные пятна, у курочек – нет. Эти различия обуславливаются доминантным геном В, локализованным в половой хромосоме. Наследственный детерминизм в окраске был найден у гусей – один пол белый, другой серый. Существует метод распознавания цыплят по строению клоаки. У крупных малоплодных животных разработаны методы раннего определения пола, основанные на микрохирургическом получении клеток трофобласта у эмбриона или взятия амниотической жидкости с последующим цитогенетическим анализом состава половых хромосом.