Генетика и селекция

1. Матричные биохимические процессы в клетке и их особенности

Матричными называются такие процессы, при которых на основе первичной структуры одного биополимера, называемой матрицей, синтезируется первичная структура другого биополимера, называемого копией, причем структура матрицы определяет структуру копии. К матричным процессам относятся:

1.биосинтез ДНК или репликация;

2.биосинтез РНК или транскрипция;

3. биосинтез белка или трансляция.

Любой матричный процесс можно разбить на 3 фазы:

• начало синтеза или инициация
• продолжение синтеза или элонгация
• окончание синтеза или терминация.

Это ферментативные процессы, кроме того, требующие затраты не ферментных белковых факторов. Это энергозависимые процессы, которые требуют затраты энергии в виде АТФ или ГТФ. Ведущим правилом всех матричных процессов является правило комплиментарности. В ходе первых двух процессов, которые в основном осуществляются в ядре клетки, матрицей является нуклеиновые кислоты и копией нуклеиновые кислоты. В процессе транскрибции матрицей является нуклеиновая кислота, а копия полипептидная цепь.

 

2. Молекулярно-биохимический механизм взаимодействия неаллельных генов

Взаимодействие генов — это такой механизм наследования признака, при котором его проявление в фенотипе зависит от сочетаний аллелей двух и более генов. Молекулярно-биохимические механизмы взаимодействия генов состоят в том, что белки, образуемые аллелями этих генов, участвуют в одном и том же или в параллельных биохимических процессах, за счет которых и формируется тот или иной признак.

В фенотипе взаимодействие генов проявляется как возникновение или исчезновение определенного качества признака или изменение его количественного выражения. Расщепление потомства по признаку происходит в соответствии с правилом дигибридного (если взаимодействуют два гена) или полигибридного скрещивания (если взаимодействует сразу несколько неаллельных генов). При взаимодействии генов расщепление потомства по признакам никогда не подчиняется закономерностям моногибридного скрещивания. Существует несколько типов взаимодействия генов.

1. Комплементарность — тип взаимодействия неаллельных генов, при котором они дополняют друг друга и различные комбинации аллелей этих генов создают несколько вариаций признаков или приводят к появлению качественного признака. Чаще всего новый признак проявляется лишь при сочетании доминантных аллелей нескольких генов в генотипе гибрида.

2. Полимирия — тип взаимодействия генов, при котором степень развития одного и того же признака зависит от сочетания доминантных аллелей нескольких генов. При полимерии не возникают качественно новые признаки, а изменяются их количественные показатели (рост и скорость роста, масса тела у растений и животных; содержание белковых, липидных и углеводных компонентов в плодах и молоке; яйценоскость, молочность и др.).

3. Эпистаз — тип взаимодействия генов, при котором проявление действия гена подавляется доминантным или рецессивным аллелем другого (неаллельного) гена

 

 

 

3. Хромосомные болезни человека их цитогенетические характеристики и причины возникновения

Хромосомные болезни - это большая группа врожденных наследственных болезней. Хромосомные болезни занимают одно из ведущих мест в структуре наследственной патологии человека. По данным цитогенетических исследований среди новорожденных детей частота хромосомной патологии составляет 0,6-1,0%. Самая высокая частота хромосомной патологии (до 70%) зафиксирована в материале ранних спонтанных абортусов. Следовательно, большинство хромосомных аномалий у человека несовместимо даже с ранними этапами эмбриогенеза. Такие зародыши элиминируются во время имплантации (7-14-е дни развития), что клинически проявляется как задержка или выпадение менструального цикла. Некоторая часть эмбрионов гибнет вскоре после имплантации (ранние выкидыши). Сравнительно немногие варианты числовых аномалий хромосом совместимы с постнатальным развитием и ведут к хромосомным заболеваниям. Хромосомные болезни появляются вследствие повреждений генома, возникающих при созревании гамет, в процессе оплодотворения или на ранних стадиях дробления зиготы. Все хромосомные болезни могут быть разделены на 3 большие группы:

связанные с нарушением плоидности;

обусловленные нарушением числа хромосом;

 связанные с изменением структуры хромосом.

Одним из самых известных заболеваний, происходящих по причине наличия аномалий в генетическом материале, является синдром Дауна. Он обуславливается трисомией по 21 хромосоме. Характерным признаком этой  болезни является отставание в развитии. Дети испытывают серьезные проблемы во время обучения в школе, часто им требуется альтернативная методика преподавания материала. Вместе с тем отмечаются нарушения физического развития – плоское лицо, увеличенные глаза, клинодактилия и другие. Если такие люди прикладывают значительные усилия, они могут достаточно хорошо социализироваться, известен даже случай успешного получения высшего образования мужчиной с синдромом Дауна. У больных повышен риск заболеть деменцией. Это и ряд других причин приводит к небольшой продолжительности жизни.  

К трисомии относится и синдром Патау, только в этом случае имеется три копии 13 хромосомы. Для заболевания характерны множественные пороки развития, часто с полидактилией. В большинстве случаев отмечается нарушение деятельности центральной нервной системы либо ее неразвитость. Часто (примерно в 80 процентах) больные имеют пороки развития сердца. Тяжелые нарушения приводят к высокой смертности – в первый год жизни умирает до 95% детей с этим диагнозом. Заболевание не поддается лечению или коррекции, как правило, можно лишь обеспечить достаточно постоянный контроль состояния человека.

 Еще одна форма трисомии, с которой рождаются дети, относится  к 18 хромосоме. Заболевание в этом  случае носит название синдрома  Эдвардса и характеризуется множественными  нарушениями. Деформируются кости, часто наблюдается измененная форма черепа. Сердечно-сосудистая система обычно с пороками развития, также проблемы отмечаются с органами дыхания. В результате около 60% детей не доживают до 3 месяцев, к 1 году умирает до 95% детей с этим диагнозом.

Трисомия по другим хромосомам у новорожденных практически не встречается, поскольку почти всегда приводит к преждевременному прерыванию беременности. В части случаев рождается мертвый ребенок.  

С нарушениями числа половых хромосом связан синдром Шерешевского-Тернера. Из-за нарушений в процессе расхождения хромосом теряется X-хромосома в женском организме. В результате организм не получает должного количества гормонов, поэтому нарушается его развитие. В первую очередь это относится к половым органам, которые развиваются лишь отчасти. Практически всегда для женщины это обозначает невозможность иметь детей. 

 

 

 У мужчин полисомия по Y или X хромосоме приводит к развитию синдрома Клайнфельтера. Для этого заболевания характерна слабая выраженность мужских признаков. Зачастую сопровождается гинекомастией, возможно отставание в развитии. В большинстве случаев наблюдаются ранние проблемы с потенцией и бесплодие. В этом случае, как и для синдрома Шерешевского-Тернера, выходом может стать экстракорпоральное оплодотворение.

Благодаря методам пренатальной диагностики стало возможным выявление этих и других заболеваний у плода во время беременности. Семейные пары могут принять решение о прерывании беременности, чтобы попробовать зачать другого ребенка. Если же они принимают решение выносить и родить малыша, то знание особенностей его генетического материала позволяет заранее подготовиться к определенным методам профилактики или лечения.

 

4. Генетические карты, принципы их построения и практическое значение

Генетическая карта - схема относительного расположения генов в хромосомах, позволяющая предсказывать характер наследования изучаемых признаков организмов.Генетические карты определяют расположение генов в хромосомах относительно друг друга и расстояние между ними.

При построении карт используют следующие подходы:

1. Анализ генетического сцепления

На генетических картах сцепления расстояние между генами определяется в сантиморганидах (сМ). Сантиморганиды – это генетическое расстояние между генами, 1 сМ соответствует 1% рекомбинации (кроссинговера). Общая длина генома человека в этих единицах составляет 3300 сМ. Сравнивая эту величину с размером гаплоидного генома человека (3,3х109 п.н.), можно сделать вывод, что 1 сМ соответствует 1 млн.п.н. Физическое (реальное) расстояние между генами выражается в парах нуклеотидов (п.н.).

2. Метод дифференциального окрашивания

В 70-е годы появились дифференциальные методы окрашивания хромосом, на основе которых были построены цитогенетические карты. Дифференциальные методы окрашивания позволяют выявить отдельные фрагменты хромосом в зависимости от распределения гетерохроматина и сателлитной ДНК. После соответствующей обработки препараты метафазных хромосом окрашивают красителем Гимза. При этом на хромосомах появляется характерная поперечная исчерченность, так называемые диски  или бэнды, расположение которых специфично для каждой хромосомы. Крупные полосы  (участки) подразделяются на более мелкие диски (сегменты), которые различаются по интенсивности окраски.

На метафазных хромосомах было идентифицировано 750 таких полос, на прометафазных хромосомах – более 3000. Следовательно, величина небольших дисков соответствует 1 сМ на цитогенетических картах или 1 млн. пар нуклеотидов на физических картах.

 

                     

а          б

Рис.1  а -Идиограмма хромосом человека

б - Нормальный кариотип человека

 

Согласно официально утвержденной номенклатуре (ISCN, 1978), каждая хромосома человека после дифференциальной окраски может быть разделена на районы  и сегменты, нумерация которых начинается от центромеры вверх (короткое плечо – p), либо вниз (длинное плечо –  q). В каждом плече выделяют крупные участки, в пределах районов выделяют более мелкие сегменты.

Запись положения гена на цитогенетической карте включает номер хромосомы, плечо (p или q), а также номер сегмента, района и его субъединицы. Например, запись 7q.21 означает, что ген локализован в 1 сегменте, 2-го района длинного плеча хромосомы 7. Ген CFTR, мутации которого приводят к развитию муковисцидоза.

 

 

Рис.2 Локализация генов в хромосоме

 

5. Тест Т.Моргана на аллелизм и его значение в генетике

1902 г. У. Сеттон, а впоследствии Т. Морган сопоставили менделевские  законы наследственности с закономерностями  поведения хромосом и обнаружили  параллелизм между характером  наследования генов и распределением хромосом в мейозе. На основании этого они сформулировали хромосомную теорию наследственности. В целом представления школы Т. Х. Моргана можно кратко представить следующим образом: ген имеет основные свойства хромосом (способность к редупликации, к закономерному распределению в митозе и мейозе), занимает определенный участок (локус) хромосомы, является единицей мутации (т. е. изменяется как целое), единицей рекомбинации (т. е. кроссинговера никогда не наблюдали в пределах гена), единицей функции (т. е. все мутации одного гена нарушают одну и ту же функцию). Ген может существовать в двух или нескольких аллельных состояниях. Аллели оказывают различное действие на развитие и фенотипическое выражение признака. Аллелями называют различные состояния одного гена. Как известно, в результате мутирования ген может находиться более чем в двух различных состояниях (явление множественного аллелизма). Поэтому при получении серии мутаций с похожим фенотипом для определения того, затронула мутация один и тот же ген или разные, Морган предложил два теста: функциональный и рекомбинационный. Функциональный критерий основывается на том, что при скрещивании двух мутантов возникает дигетерозигота, имеющая дикий фенотип в силу доминирования нормальных аллелей каждого из генов (мутации комплементарны друг другу). Если скрещиваемые мутанты несут в дигетерозиготе аллельные мутации, то в компаунде дикий тип не появляется, так как оба аллеля одного и того же гена в разных хромосомах имеют мутационные изменения, или, по-другому, мутации не комплементарны. При этом мутации не должны разделяться кроссинговером. Например, при скрещивании двух мутантных норок, белой и пастелевой, все гибриды имеют коричневую окраску, т. е. дикий фенотип. При скрещивании белой норки с другой мутантной формой - платиновой - все гибриды имеют платиновую окраску, т. е. мутантный фенотип. Следовательно, в первом случае наблюдается комплементарность, т.е. неаллельность; а во втором — отсутствие комплементарности, т.е. аллельность. В основу рекомбинационного теста было положено представление, что только мутации в разных генах способны рекомбинировать между собой. Исследователи школы Моргана считали мутации аллельными, если соблюдались функциональный (гетерозигота - мутантный фенотип) и рекомбинационный, (рекомбинаций нет) критерии. В связи с изменением представлений о структуре гена уточнялись и критерии аллелизма. Один и тот же ген может изменяться в несколько состояний; иногда таких соетояний бывает несколько десятков и даже сотен. Ген А может мутировать в состояние а1, а2, а3, ... аn. Ряд состояний одного и того же гена называют серией множественных аллелей, а само явление — множественным аллелизмом. Наследование членов серии множественных аллелей подчиняется менделевским закономерностям. При этом, в отличие от генов, для которых известно только два состояния, сочетание двух разных членов серии множественных аллелей в гетерозиготе называют компаундом. Серии множественных аллелей обнаружены у крупного рогатого скота, кроликов, мышей, морских свинок, дрозофилы, а также у кукурузы, табака, гороха и др. У человека известна серия аллелей: IA, IB, I0 которая определяет полиморфизм по группам крови. Распространенность множественного аллелизма среди животных, растений и микроорганизмов и наличие его у человека могла быть обусловлена тем, что это явление увеличивает резерв мутационной изменчивости, а потому имеет приспособительное значение в эволюции.