Введение в генетику

 

Особенности построения генетических карт у прокариот

Для построения генетических карт у прокариот используется явление конъюгации – переноса генетического материала из одной клетки в другую с помощью специальных кольцевых молекул ДНК (плазмид, в частности,  с помощью F–плазмиды).

Вероятность переноса определенного гена в клетку–реципиент зависит от его удаления от F–плазмидной ДНК, а точнее, от точки О, в которой начинается репликацияF–плазмидной ДНК. Чем больше время конъюгации, тем выше вероятность переноса данного гена. Это дает возможность составить генетическую карту бактерий в минутах конъюгации. Например, у кишечной палочки ген thr (оперон из трех генов, контролирующих биосинтез треонина) находится в нулевой точке (то есть непосредственно рядом с F–плазмидной ДНК), ген lac переносится через 8 мин, ген recE – через 30 мин, ген argR – через 70 мин и т.д.

Более подробно этот вопрос будет рассмотрен при  изучении генетики прокариот. 

 

Картирование  хромосом человека

Картирование  генов основано на составлении групп  сцепления. Чем больше известных мутаций и чем меньше число хромосом, тем легче проводить картирование. В этом отношении человек (помимо того, что у него невозможен классический гибридологический анализ) как объект вдвойне неблагоприятен для картирования: известных генов у него сравнительно немного (по крайней мере, так было до конца 70-х годов), а гаплоидное число хромосом достаточно велико – 22 (не считая половых). Это означает, что вероятность того, что два вновь открытых гена окажутся сцепленными, равна 1/22. По этим причинам анализ родословных, который в какой-то мере заменяет гибридологический анализ, дает довольно ограниченную информацию о характере сцепления.

Более перспективными для картирования генов человека оказались методы генетики соматических клеток. Суть одного из них заключается в следующем. Методы клеточной инженерии позволяют объединять различные типы клеток. Слияние клеток, принадлежащих к разным биологическим видам, называется соматической гибридизацией. Сущность соматической гибридизации заключается в получении синтетических культур путем слияния протопластов различных видов организмов. Для слияния клеток используют различные физико-химические и биологические методы. После слияния протопластов образуются многоядерные гетерокариотические клетки. В дальнейшем при слиянии ядер образуются синкариотические клетки, содержащие в ядрах хромосомные наборы разных организмов. При делении таких клеток in vitroобразуются гибридные клеточные культуры. В настоящее время получены и культивируются клеточные гибриды «человек × мышь», «человек × крыса» и многие другие.

В гибридных  клетках, полученных из разных штаммов  разных видов, один из родительских наборов  хромосом, как правило, реплицируется  быстрее другого. Поэтому последний постепенно теряет хромосомы. Эти процессы интенсивно протекают, например, в клеточных гибридах между мышью и человеком – видами, различающимися по многим биохимическим маркерам. Если при этом следить за каким-либо биохимическим маркером, например ферментом тимидинкиназой, и одновременно проводить цитогенетический контроль, идентифицируя хромосомы в клонах, образующихся после их частичной утраты, то, в конце концов, можно связать исчезновение хромосомы одновременно с биохимическим признаком. Это означает, что ген, кодирующий этот признак, локализован в данной хромосоме. Так,тимидинкиназный ген у человека находится в хромосоме 17.

Некоторая информация о локализации генов может  быть получена при анализе числовых и структурных мутаций хромосом, по встречаемости в семьях хромосом с морфологическими вариациями и по учету наследственных признаков. Для этой же цели используют и частичные моносомии, возникающие в результате делеций. Однако в этих случаях необходимо иметь в виду, что иногда изучаемый ген остается в центрическом фрагменте, но его проявление может быть резко ослаблено в результате эффекта положения или каких-либо иных механизмов регуляции (изменение порядка репликации, отрыв промоторного участка и т. д.). В конце 60-х годов был разработан метод гибридизации in situ, в основе которого лежит специфичность комплементарных взаимодействий гена и его копии (мРНК, а также полученной с помощью обратной транскрипции комплементарной ДНК). Разрешающая способность этого метода гораздо выше на политенных хромосомах, чем на митотических хромосомах человека, однако он постоянно совершенствуется. 

 

 
Изменчивость кариотипа 

 

1. Хромосомные  перестройки (аберрации). Молекулярные  механизмы хромосомных перестроек

2. Изменение  числа хромосом: автополиплоидия,  аллополиплоидия, анеуплоидия. Прочие  цитогенетические феномены 

3. Механизмы  геномных мутаций   

 

1. 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 образованиемдвуцентромерных структур – дицентриков. В других случаях из двух акроцентрических хромосом образуется одноцентромерная двуплечая хромосома. Такое слияние хромосом называется робертсоновскойтранслокацией. 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.

Механизмы возникновения хромосомных аберраций разнообразны:

– неравный кроссинговер между гомологичными хромосомами (возникают делеции и дупликации) и негомологичными хромосомами (возникают транслокации);

– внутрихромосомный кроссинговер (возникают делеции и инверсии);

– разрывы хромосом (возникают различные фрагменты);

– разрывы хромосом с последующим соединением фрагментов (возникают инверсии, транспозиции, транслокации);

– копирование гена и перенос копии в другой участок хромосомы (возникают транспозиции).

Причины хромосомных аберраций и механизмы их возникновения различны. Хромосомные аберрации могут возникать в длительно хранящихся семенах или в тканево-клеточных культурах спонтанно, без видимых причин. Появлению хромосомных аберраций способствуют различные химические вещества, которые не являются мутагенами, но нарушают нормальную жизнедеятельность клеток (ионы тяжелых металлов, альдегиды, окислители и др.). Хромосомные аберрации часто возникают при облучении клеток. В этом случае возникают как одиночные разрывы хромосом, так и двойные (или множественные). Одиночные разрывы ведут к появлению концевых нехваток, двойные (множественные) разрывы – к появлению всех остальных типов аберраций. При разрывах на пресинтетической стадии изменяется вся хромосома, и наблюдаются двойные аберрации; при разрывах на постсинтетической стадии изменяется только одна хроматида, и наблюдаются одиночные аберрации.

Методы выявления  хромосомных аберраций. Для выявления хромосомных аберраций используются различные методы цитогенетического анализа. Например, анафазный анализ позволяет выявить мосты и отставания (дицентрики и другие продукты транслокаций), фрагменты (ацентрики). Метафазный и пахитенный анализ позволяют выявить изменение структуры хромосом, линейные и кольцевые фрагменты. Особое место в выявлении хромосомных аберраций занимает анализ гигантских политенных хромосом, встречающихся в слюнных железах личинок двукрылых (комаров, мух) и в некоторых клетках других организмов. Этот метод основан на нарушении нормальной соматической конъюгации политенных хромосом у гетерозигот по хромосомным аберрациям; в результате образуются различной формы петли. 

 

2. Изменение  числа хромосом

Изменение числа  хромосом в клетке означает изменение  генома. (Поэтому такие изменения  часто называют геномными мутациями.) Известны различные цитогенетические феномены, связанные с изменением числа хромосом. 

 

Автополиплоидия

Автополиплоидия представляет собой многократное повторение одного и того же генома, или основного числа хромосом (х).

Этот тип  полиплоидии характерен для низших эукариот и покрытосеменных растений. У многоклеточных животных автополиплоидия  встречается крайне редко: у дождевых червей, некоторых насекомых, некоторых рыб и земноводных. Автополиплоиды у человека и других высших позвоночных погибают на ранних стадиях внутриутробного развития.

У большинства  эукариотических организмов основное число хромосом (x) совпадает с гаплоидным набором хромосом (n); при этом гаплоидное число хромосом – это число хромосом в клетках, образовавшихся в хорде мейоза. Тогда в диплоидных (2n) содержится два генома x, и 2n=2x. Однако у многих низших эукариот, многих споровых и покрытосеменных растений в диплоидных клетках содержится не 2 генома, а некоторое иное число. Число геномов в диплоидных клетках называется геномным числом (Ω). Последовательность геномных чисел называется полиплоидным рядом.

Например, у  злаков при x = 7 известны следующие полиплоидные ряды (знаком + отмечено наличие полиплоида определенного уровня): 

 

Названия видов	Геномные  числа (Ω), уровни плоидности числа хромосом в соматических клетках
	2 x	3 x	4 x	5 x	6 x	7 x	8 x	9 x	10 x
	14	21	28	35	42	49	56	63	70
Овсяница красная	+				+		+		+
Овсяница овечья	+	+	+		+	+	+		+
Полевица побегообразующая			+	+	+
Костер безостый					+		+		+

 

 

Различают сбалансированные и несбалансированные автополиплоиды. Сбалансированными полиплоидами называются полиплоиды с чётным числом хромосомных наборов, а несбалансированными – полиплоиды с нечетным числом хромосомных наборов, например: