Лекция №4,5

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

ЛЕКЦИЯ №4,5.

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ГЕНОВ.

Наследственность – свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями. Наследственность реализуется в процессе наследования или воспроизведения в ряду поколений специфического характера обмена веществ и индивидуального развития в определенных условиях внешней среды. Проявление наследственности осуществляется в непрерывности живой материи при смене поколений. Поскольку организм развивается в результате взаимодействия генетических факторов и условий существования, наследственность может реализовываться в различных вариантах в зависимости от особенностей генотипа и внешних условий. Например, у особей с разным генотипом наследственность может выражаться в одинаковом фенотипе (в случае доминирования одних генов над другими), у организмов с одинаковым генотипом – в разных фенотипах (модификации).

Наследственность определяется генетической информацией, закодированной в нуклеиновых кислотах, главным образом в ДНК. Перенос этой информации между поколениями обеспечивается механизмами репликации генетического материала и его распределения в процессе митоза между дочерними соматическими клетками, и мейоза между гаметами у эукариот, и путем прямого клеточного деления у прокариот. Сохранность генетического материала в ряду поколений поддерживается совместной работой ряда ферментов, функции которых заключаются в удалении редких, но возможных ошибок репликации; вырезании из ДНК повреждений, возникающих под действием различных физических и химических агентов; защите от деградации ферментами рестрикции и др.

Наследственность существует в тесной связи с изменчивостью. Изменчивость – это свойство организмов, связанное с их способностью приобретать новые состояния генотипа и фенотипа на том или ином этапе своей жизнедеятельности. Возникшие изменения могут заключаться в нарушениях имеющегося генетического материала индивидуума, приводящих к появлению соответствующих фенотипических вариантов, либо затрагивать только механизм экспрессии признака (признаков) без нарушения генотипа. Возможны также изменения нуклеотидной последовательности ДНК отдельных генов, не сопровождающиеся их проявлением в фенотипе. Различают изменчивость наследственную (генотипическую) и ненаследственную (фенотипическую). Фенотипическая изменчивость не связана с нарушениями в генетическом материале индивидуумов, а генотипическая обусловлена изменениями генотипа (генов, хромосом). В свою очередь, фенотипическую изменчивость принято подразделять на модификационную и онтогенетическую, а генотипическую – на комбинативную (рекомбинационную) и мутационную.

Ген -фрагмент ДНК, содержащий как структурные участки, кодирующие аминокислотную последовательность одного полипептида, так и регуляторные области, необходимые для синтеза соответствующей ДНК.

Ген – элементарная генетическая единица наследственности, соответствующая одному фенотипическому признаку организма.

Генотип – совокупность генов данной клетки или организма.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов.

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств особи, формирующихся в процессе взаимодействия ее генетической структуры (генотипа) и внешней среды.

Аллельные гены – гены, локализованные в одном и том же локусе гомологичных хромосом и определяющие варианты одного и того же признака.

Неаллельные гены – гены, локализованные в разных локусах гомологичных хромосом и в негомологичных хромосомах, определяющие разные признаки.

Гомологичные хромосомы – хромосомы, содержащие одинаковый набор генов, сходные по морфологическим признакам. Одна из гомологичных хромосом получена организмом от матери, вторая от отца. Могут различаться аллелями содержащихся в них генов, конъюгируют в профазе мейоза.

Негомологичные хромосомы – содержат разный набор генов, отличаются по морфологическим признакам.

Модификационная изменчивость состоит в проявлении различных вариантов (модификаций) того или иного признака (либо комплекса признаков) в фенотипе организма под воздействием меняющихся условий среды обитания при неизменном генотипе. В качестве модифицирующих могут выступать факторы окружающей среды, изменения которых способны повлиять на процессы жизнедеятельности индивидуума (температура, свет, влажность, химический состав почвы, воды, воздуха и др.). В случае человека существенную роль играют также социальные факторы (характер труда и отдыха, образ жизни, условия питания и др.). Этот тип изменчивости отличается тремя главными особенностями: массовым характером изменений, затрагивающих большинство особей в популяции; адекватностью изменений воздействиям среды; кратковременностью большинства модификаций. Эти модификации не передаются даже следующему поколению и исчезают после того, как прекратилось действие вызвавшего их фактора. Однако известны и длительные модификации, распространяющиеся на несколько поколений организмов, размножающихся вегетативно или партеногенетически.

Те или иные модифицирующие факторы могут существенно изменить степень выраженности признака вплоть до его полной потери в фенотипе при наличии необходимого гена (генов) в генотипе. В связи с этим, для характеристики интенсивности (степени) проявления признака (и контролирующего его гена) в разных условиях среды используется термин «экспрессивность».

Экспрессивность – степень проявления признака.

Количественным показателем проявляемости (непроявляемости) гена (признака) является пенетрантность, т.е. частота (в процентах) особей, у которых наблюдается экспрессия гена в фенотипе при определенных условиях среды.

Пенетрантность – частота (в процентах) проявления признака.

Так, например, пенетрантность доминантного признака, составляющая 80%, означает, что лишь 80% обследованных индивидуумов, живущих в конкретных условиях среды и являющихся носителями соответствующего доминантного гена, имеют этот признак в своем фенотипе.

Пределы модификационной изменчивости определяются генотипом организма и ограничены нормой реакции. Под нормой реакции понимают границы (диапозон), в рамках которых может меняться конкретный признак (либо фенотип в целом) в разных условиях среды. При этом те или иные признаки могут характеризоваться неодинаковой (широкой, средней, узкой) нормой реакции в зависимости от видовых и индивидуальных генетических особенностей организма. Организмы наследуют не признаки как таковые, а норму реакции, поэтому предсказать степень выраженности признака можно только зная норму реакции. Признаки бывают пластичными и непластичными. Степень выраженности первых сильно зависит от внешней среды; следовательно для них характерна широкая норма реакции. Непластичные признаки остаются практически неизменными при любых совместимых с жизнью условиях среды (например, окраска глаз и группы крови человека). Пластичные признаки, вариабельность которых составляет сущность модификационной изменчивости, значительно изменяются при смене условий окружающей среды. Например, при подъеме в горы (на высоту 4 тыс. метров) у человека количество эритроцитов в 1 мм3 крови увеличивается почти вдвое, а при спуске быстро нормализуется. Это результат влияния меняющейся концентрации кислорода в воздухе, в частности его дефицита в высокогорной местности.

Большинство модификаций имеют приспособительное значение, способствуя адаптации организма к изменениям среды.

Механизмы изменения признаков в рамках нормы реакции связаны с модифицирующим влиянием факторов среды на все этапы реализации генетической информации, а также на метаболитические процессы, в которых участвуют белки-ферменты, синтезированные под контролем соответствующих генов.

Онтогенетическая изменчивость заключается в модификациях фенотипа многоклеточных эукариотических организмов на тех или иных этапах индивидуального развития (онтогенеза). В основе этой формы изменчивости лежит последовательная реализация генетической программы индивидуума на разных стадиях онтогенеза путем активации (инактивации) работы определенных групп генов.

Значение фенотипической изменчивости определяется прежде всего тем, что в пределах индивидуальной нормы реакции обеспечивается та или иная возможность физиологических адаптаций организма к меняющимся условиям среды, в том числе индивидуальная возможность акклиматизации человека, его приспособления к меняющимся условиям труда, быта и др. Следует учитывать также роль благоприятных условий среды в формировании нормального фенотипа человека, т.е. их влияние на процессы роста и развития индивидуума, особенно в дородовом (пренатальном ) периоде и в детском возрасте.

Комбинативная изменчивость связана с появлением новых сочетаний генов и хромосом, полученных индивидуумом от родителей, при формировании его собственных гамет на основе принципов свободного распределения негомологичных хромосом и случайного генетического обмена (кроссинговер) между хромосомами гомологичных пар в мейозе. Кроме того, в процессе оплодотворения происходит независимое комбинирование материала мужских и женских гамет, приводящее к возникновению генетически уникальных зигот и развивающихся из них организмов.

Мутационная изменчивость основана на возникновении стойких нарушений в первичном генетическом материале (генах, хромосомах) индивидуумов под воздействием факторов среды, называемых мутагенами (мутагенными факторами). Различают физические (различные виды излучений), химические (хим вещества) и биологические (вирусы) мутагены. Появляющиеся при этом изменения называются мутациями.

Термином «мутации» обозначают внезапные наследуемые изменения генетического материала, которые могут возникнуть без видимых причин (спонтанно) либо быть индуцированы внешним воздействием на организм. Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом.

^ ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ГЕНОВ.

При половом размножении эукариотических организмов наследование потомками генов (и соответствующих признаков) родителей происходит на основе закономерностей, обнаруженных Г. Менделем и Т. Морганом с сотрудниками, использовавшими гибридологический метод исследований. Эти закономерности являются универсальными, т.е. они распространяются на все виды организмов, включая человека, имеющих диплоидные соматические клетки. Следует, однако, отметить, что при генетическом анализе человека не может быть использован классический гибридологический метод, основанный на экспериментальных скрещиваниях особей. Характер наследования генов человека устанавливается другими методами, которые изучаются во 2 семестре. Нужно также иметь в виду, что классические закономерности наследования удается достаточно четко проследить лишь в отношении сравнительно простых признаков, в контроле которых участвует ограниченное число генов, и при условии, что модифицирующее влияние факторов среды на их экспрессию не является слишком значительным.

Г. Мендель был монахом Августинского монастыря, он жил в городе Брно. Мендель проводил свои опыты в течение 8 лет (1856-1863), выбрав в качества объекта садовый горох. Опыты Менделя и по современным меркам могут служить образцом научного исследования. Одной из главнейших особенностей метода Менделя был точный подсчет результатов каждого опыта, который и позволил установить истинный количественный характер расщепления и сформулировать законы наследственности. Кроме того, Мендель каждый раз концентрировал внимание на отдельном признаке, а не на их совокупности. С этой целью он отобрал признаки, по которым растения четко отличались (например, форма семян - круглая или морщинистая, окраска семядолей – желтая или зеленая, окраска цветков - красная или белая и т.д.). Исходными для скрещивания были чистые линии т.е. сорта гороха, в течение многих поколений проявлявшие лишь одну из форм контрастирующих признаков.

Наследование аллельных генов аутосом. Первый закон Менделя.

Принципы наследования аллельных генов и контролируемых ими признаков были установлены Менделем при анализе результатов моногибридных скрещиваний гороха. Аллельными называют гены, локализованые в одном и том же локусе гомологичных хромосом. Моногибридным называется скрещивание, в котором участвуют родительские организмы, имеющие различия, касающиеся одной пары аллелей. Первое поколение от скрещивания сортов гороха было получено путем искусственного опыления. Результат анализа первого поколения заключался том, что у всех растений проявлялся только один контрастирующий признак. Например, по окраске семядолей все семена первого поколения были желтыми, по форме – гладкими, по окраске цветков – красные. Следовательно, у гибридов первого поколения из каждой пары альтернативных признаков развивался только один (правило единообразия гибридов первого поколения). Эффект проявления у гибридов одного из двух контрастирующих признаков Мендель назвал доминированием, а сам признак – доминантным. Признак, не обнаруживающийся в гибридах первого поколения, получил название рецессивного.

Второе поколение Мендель получал путем самоопыления, т.е. так же, как размножались много лет исходные формы – чистые линии. У части гибридов второго поколения проявились признаки рецессивного родителя. Подсчет большого числа особей, различавшихся по семи парам контрастирующих признаков, привел Менделя к заключению, что отношение доминантных форм к рецессивным всегда близко к 3:1. Например, по окраске семядолей из 8023 семян 6022 были желтыми, а 2001 – зелеными. Т.о. доминантный признак обнаруживался у 3,01 части семян, а рецессивный лишь у одной части. Анализ расщепления в последующих поколениях показал, что растения, проявлявшие рецессивный признак, сохраняли его, в то время как только 1/3 доминантов вели себя так же, а 2/3 других растений с доминантными признаками постоянно давали расщепление 3:1.

Мендель ввел символы: А – для доминантного гена и а – для рецессивного признака, подразумевая, что сами признаки определяются дискретными детерминантами, или факторами наследственности (термин «ген» был введен значительно позже). Гаметы каждого из родителей несут только по одному из этих факторов. В гибридах они соединяются, но, поскольку действует правило доминирования, внешне гибридные растения выглядят одинаково. То, что в их клетках сохраняется рецессивный детерминант, проявляется во втором поколении, образованию которого предшествует расхождение доминантного и рецессивного факторов (схема скрещиваний, понятие гомо- и гетерозигота).

Из того факта, что в потомстве гибридов (гетерозигот) встречаются носители обоих родительских признаков, Мендель сделал вывод, что два фактора (гена), определяющие альтернативные проявления признака, никоим образом не сливаются друг с другом, а остаются раздельными на протяжении всей жизни особи и при формировании гамет расходятся в разные гаметы, так что половина гамет получает один ген, а половина – второй. Это утверждение называется законом расщепления Менделя (первый закон Менделя).

Цитологические основы закона расщепления связаны с расхождением хромосом гомологичной пары, несущей соответствующие аллельные гены в разные гаметы в процессе мейоза, а также с независимым характером комбинирования генетического материала мужских и женских гамет при оплодотворении.

Доминирование, которое наблюдал Мендель в опытах на горохе, можно рассматривать как полное. В природе довольно часто встречаются случаи неполного доминирования, при котором гибриды первого поколения проявляют признаки, промежуточные между двумя родительскими формами. Например, при скрещивании растений львиного зева или ночной красавицы с красными и белыми цветками образуются растения с розовыми цветками. Таким образом гомозиготные доминантные растения отличаются по фенотипу от гентерозигот (расщепление по фенотипу в этом случае составит не 3:1, а 1:2:1).

Закон независимого наследования неаллельных генов (второй закон Менделя). Дигибридное скрещивание.

Этот закон выведен на основе результатов скрещивания растений, различающихся двумя (или более) парами контрастирующих признаков. Мендель выяснил, что характер наследования генов, определяющих различные признаки (т.е. неаллельных генов, по современной терминологии), отличается от наследования аллелей одного и того же гена. Мендель поставил эксперимент на растениях, имевших две пары альтернативных признаков: круглые или морщинистые зерна, желтую или зеленую окраску семядолей. Все семена первого поколения (F1) были круглыми и желтыми. Этот результат подтвердил принцип доминирования, а также показал, что на характер проявления одного признака другой признак может не оказывать никакого влияния.

При самоопылении растений F1 появились не только два родительских типа, но и растения с комбинациями признаков (круглые зеленые и морщинистые желтые). В эксперименте Мендель получил 556 семян. Из них 315 были круглыми и желтыми, 101 – морщинистыми и желтыми, 108 – круглыми и зелеными и 35 – морщинистыми и зелеными. Путем самоопыления Мендель определил генотипы всех четырех классов семян. Наибольший по численности класс, проявивший оба доминантных признака, состоял из четырех генотипов: ААВВ, АаВв, ААВв, АаВВ; наимениший был представлен гомозиготами по обоим рецессивным признакам – аавв. Растения, имевшие семена с одним из доминантных родительских признаков, были представлены двумя генотипами каждый: Аавв, Аавв и ааВВ,ааВв. Как видно из приведенного количественного соотношения указанных четырех типов растений, в опыте Менделя оно приближалось к 9:3:3:1.

Анализируя результаты Мендель пришел к выводу, что две (или более) пары альтернативных признаков распределяются между собой совершенно независимо, т.е. наследственные факторы полученные в F1 от родителей, не обязательно передаются в F2 вместе. Характер распределения неаллельных генов, полученных от родительских растений, носит случайный характер. При дигибридном скрещивании при условии независимого расщепления неаллельных генов возникают четыре типа гамет. Если они при образовании зигот встречаются случайно, то число генных комбинаций организмов в F2 должно быть равно 16 (решетка Пеннета). Все 16 возможных фенотипов должны образоваться в одинаковом количестве. Обнаружить 16 генотипов при условии полного доминирования одной из аллелей невозможно. По фенотипу 16 генотипов распределяются на 4 группы. Так, генотипы у которых хотя бы одна аллель каждого признака доминантна, дадут одинаковые фенотипы (круглые и желтые), у растений генотипа аавв – морщинистые с зелеными семядолями. Если же присутствует доминантная аллель только по одному признаку, то семена будут круглыми и зелеными или морщинистыми и желтыми. Как было установлено экспериментально, 556 растений действительно состояли из 4 фенотипов. Число различных генотипов в этом случае равно 9.

Наследование сцепленных генов.

Полностью независимо, как это было в большинстве опытов Менделя, неаллельные гены ведут себя только в том случае, если они находятся в разных хромосомах. Тогда их поведение объясняется независимым расхождением, свободной комбинацией негомологичных хромосом в мейозе.

Однако очевидно, что число генов у любого эукариотического организма превышает число хромосом. Напрмер у дрозофилы около 7000 генов, а число хромосом – всего 4. У человека предположительно 30-50 тыс. генов, тогда как число хромосом 46. Это означает, что каждая хромосома содержит множество генов. Такие гены называются сцепленными и наследуются совместно.

Особенности наследования неаллельных генов одной пары гомологичных хромосом (сцепленных генов) были изучены Т, Морганом и его сотрудниками с помощью дигибридных и тригибридных скрещиваний у дрозофилы. Такие гены характеризуются тенденцией наследоваться совместно (сцепленно) друг с другом, однако эта тенденция с той или иной вероятностью может нарушаться за счет кроссинговеров, приводящих к генетическому обмену на разных участках гомологичных хромосом.

Возможны два типа сцепления генов – полное и неполное (частичное). Полное сцепление, обнаруженное в лаборатории Т. Моргана у самцов дрозофил, связано с отсутствием кроссинговеров при конъюгации гомологичных хромосом в профазе первого деления мейоза. В этом случае у дигетерозиготной особи происходит образование двух вариантов некроссоверных гамет с равной вероятностью (схема скрещивания). Полное сцепление должно наблюдаться также в отношении неаллельных генов негомологичных участков половых хромосом у организмов гетерогаметного пола.

Гораздо чаще встречается неполное сцепление генов, в основе которго лежит генетическая рекомбинация (кроссинговер) на тех или иных участках гомологичных хромосом во время мейотического деления клеток. В этом случае у дигетерозиготной особи формируются 4 варианта гамет – некроссоверные и кроссоверные. Поскольку кроссинговер предствляет собой случайное и относительно редкое событие, то количество кроссоверных гамет будет меньшим, чем количество некроссоверных гамет.

В соответствии с правилом, установленным Морганом, количество кроссинговеров на участках между локусами сцепленных генов пропорционально расстояниям между этими локусами на хромосомах. Следовательно, чем больше расстояние между двумя конкретными локусами, тем более значительным будет число кроссинговеров на участках двух гомологичных хромосом, расположенных между этими локусами, и более значительным количество соответствующих кроссоверных гамет (схема опыта Моргана).

Т.о. можно сформулировать положения хромосомной теории наследственности:

гены расположены в хромосомах линейно;
гены, локализованные в пределах одной хромосомы, составляют одну группу сцепления и передаются совместно;

число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом, постоянному для каждого вида организмов;

признаки, зависящие от сцепления генов, также наследуются совместно;
сцепление может нарушаться в результате кроссинговера.

Цитологические основы наследования сцепленных генов и контролируемых ими признаков связаны со случайным характером генетического обмена между гомологичными хромосомами в профазе первого деления мейоза и их расхождением в разные гаметы, а также со свободным комбинированием генетического материала мужских и женских гамет при оплодотворении.

Наследование пола и аллельных генов, сцепленных с половыми хромосомами.

В основе половой дифференциации индивидуумов у большинства животных и человека лежат особенности генетической организации их половых хромосом, т.е. половая принадлежность организма генетически детерминирована. Как известно, у млекопитающих и человека первичные признаки мужского либо женского пола обусловлены присутствием в кариотипе одного из двух возможных сочетаний половых хромосом. Хромосомы X и Y принято рассматривать в качестве пары гетерологических хромосом, хотя каждая из них содержит небольшой участок взаимной гомологии, т.е. они представляют собой частично гомологичные хромосомы.

В случае многих позвоночных и насекомых (например, дрозофилы) гомогаметными являются организмы женского пола, соматические клетки которых помимо аутосом содержат также две гомологичные половые хромосомы (каждая обозначается символом Х), тогда как мужской пол гетерогаметен (гетерологичные половые хромосомы X и Y).

Если хромосомный комплекс человека для лиц женского пола условно обозначить в виде формулы 44А+ХХ (символ А обозначает аутосомы), а для мужского – 44А+XY, то тогда принципиальная схема наследования пола может быть представлена следующим образом:

Р. 44А+ХХ * 44А+XY

G. 22A+X 22A+X, 22A+Y

F1. ½ 44A+XX : ½ 44A+XY

Как видно из этой схемы, теоретически ожидаемое соотношение полов в потомстве будет 1:1.

При рассмотрении особенностей наследования генов половых хромосом млекопитающих и человека следует иметь в виду, что полной гомологией обладает лишь пара Х- хромосом женского кариотипа. Что касается Х и Y-хромосом мужского кариотипа, то они имеют лишь небольшие участки взаимной гомологии, в которых могут находиться одинаковые (гомозиготность) либо разные (гетерозиготность) аалельные варианты отдельных генов (гены, частично сцепленные с полом). Поскольку в этих участках, вероятно, может происходить генетический обмен между хромосомами Х и Y на основе механизма кроссинговера, то характер наследования генов и признаков, частично сцепленных с полом, не должен иметь принципиальных отличий от аутосомного типа наследования.

Вместе с тем, Х- и Y-хромосомы несут также гены, полностью сцепленные с полом, локусы которых находятся в участках, не имеющих взаимной гомологии. В мужском генотипе каждый из генов негомологичного участка Х-хромосомы будет представлять собой лишь один из возможных аллельных вариантов (гемизиготное состояние) и поэтому способен проявляться (экспрессироваться) независимо от своего доминантного или рецессивного характера. Гены негомологичного участка Y-хромосомы передаются только по мужской линии (от отца к сыну), а контролируемые ими признаки, названные голандрическими, встречаются только у индивидуумов мужского пола.

Впервые особенности наследования генов, полностью сцепленных с Х-хромосомой, были продемонстрированы Т.Морганом и К. Бриджесом (1910-1916) на примере доминантного гена красного цвета глаз дрозофилы (символ W) и его рецессивного аллеля (w), детерминирующего признак белого цвета глаз (схема скрещивания).

Кроме всего сказанного следует отметить, что гены многоклеточного организма работают не сами по себе, а вступают во взаимодействие друг с другом. Выделяют формы взаимодействия аллельных и неаллельных генов (более подробно – на лаб. занятиях).

Blog

Лекция №4,5

Содержание