Вопрос 7. Экспериментальные доказательства роли днк в передаче наследственной информации

Опыты Гриффитса. Он работал с двумя штаммами пневмококков. Штамм S имеет капсульную оболочку и вирулентен. При введении его мышам они погибали. Клетки штамма R не имели капсульных оболочек, гибели мышей не наступало. Клетки вирулентного штамма подвергали действию высоких температур, они не вызывали заболевания. При введении мышам смеси из невирулентного и убитого нагреванием вирулентного штаммов мыши заболели и погибли. Из крови мышей выделены живые S пневмококки. Произошла трансформация штамма R в штамм S. Трансформация - включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку. Это перенос наследственной информации от одной клетки прокариотов к другой посредством ДНК бактерии донора или клетки донора. Поскольку клетки вирулентного штамма были убиты нагреванием, значит фактором, вызывающим трансформацию, было вещество небелковой природы. Если ДНК бактерий доноров разрушалась ферментом дезоксирибонуклазой, то трансформации не происходило. Это доказывает, что трансформация вызвана ДНК.

Опыт Херши и Чейза. Они выяснили, что не все вирусы убивают бактериальную клетку. Существуют умеренные фаги. Они могут быть и вирулентными и объединятся с геномом бактериальной клетки. При этом попадая в другие бактерии вирусы привносят чужие генетические данные. Так доказан процесс трансдукции. Трансдукция заключается в том, что вирусы, покидая бактериальные клетки, в которых они паразитировали, могут захватывать с собой часть их ДНК и, перемещаясь в новые клетки, передавать новым хозяевам свойства прежних. Доказательства генетической роли ДНК были получены в ряде опытов по заражению бактериальных клеток вирусами. Бактериофаг состоит из белковой капсулы правильной геометрической формы и молекулы нуклеиновой кислоты , свернутой в виде спирали. Фаг прикрепляется своими отростками к клеточной оболочке, с помощью ферментов разрушает участок клеточной мембраны и чрез образовавшееся отверстие вводит свою ДНК в клетку и т.д. Когда белок фага был помечен радиоактивной серой ³⁵S, а ДНК – радиоактивным фосфором ³²Р оказалось, что вновь образованные фаги содержали только радиоактивный фосфор, которым была помечена ДНК. Эти опыты наглядно показали, что генетическая информация от внедрившегося фага его потомкам передается только проникающей в клетку нуклеиновой кислотой, а не белком, содержащимся в капсуле вируса.

Хайнц Френкель-Конрад исследовал роль структурных компонентов вирусов в вирусной репликации. Чистая нуклеиновая кислота вируса табачной мозаики может заразить растение, вызывая типичную картину заболевания. Более того удалось искусственно создать вегетативные гибриды из вирусов, в которых белковый футляр принадлежал одному виду, а нуклеиновая кислота – другому. Генетическая информация гибридов всегда соответствовала тому вирусу, чья нуклеиновая кислота входила в состав гибрида. Б1Н1 (здоровый)→Б1Н2 (гибрид)→Б2Н2 (больной)

Вопрос 8. Современные представления о генетическом коде. Опыт Ниринберга. Синтез специфических белков. Репликация, транскрипция, трансляция. Транскрипция 4х-значного кода первичной генетической информации в 20-значный аминокислотный код белков. Виды и структура т-РНК, р-РНК, и-РНК. Мультимерная организация белков (гемоглобин человека:HbA, HbA2, HbS, HbF).

Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, контролирующая последовательность расположения аминокислот в молекуле белка.

Ниринберг, американский биолог-генетик, его исследования посвящены расшифровке генетического кода. Он синтезировал и испытал все 64 теоретически возможных триплета и установил значение всех кодонов.

Он создал искусственную и-РНК и поместил ее в бесклеточную среду, содержащую аминокислоты, РНК, все необходимое для синтеза белка. В результате многочисленных опытов он заметил что происходил синтез только фенилаланина, что соответствовало триплету УУУ. Так открыт первый триплет.

О дним из центральных процессов метаболизма клетки, связанных с потоком вещества является синтез белка – формирование сложной молекулы белка-полимера из аминокислот-мономеров. Процесс протекает по след. схеме: ДНК РНК белок

Репликация – удвоение цепи ДНК.

Транскрипция – процесс списывания информации с ДНК на молекулу про-и-РНК.

Трансляция – процесс переноса информации и ее реализации в виде синтеза белковых молекул. Идет в 3 стадии:

1. Инниация – начало сборки белка на малой субъединице рибосомы с участием т- и м-РНК. Первая аминокислота метионин.

2. Элонгация – наращивание белковой цепи с последовательным присоединением новых аминокислот в первичной структуре белка.

3. Терминация – окончание синтеза первичной структуры белка. Происходит придостижении м-РНК стоп-кодона (УГА, УАГ, УАА).

Триплетный код — генетический код, в котором каждая аминокислота полипептидной цепи определяется группой из трех нуклеотидов ДНК.(4 основания в комбинации по 3 дает 64 разных кодона. Одни и те же аминокислоты могут кодироваться различными кодонами.)

РНК построена подобно одной из цепей ДНК. Особенно много в клетках с интенсивным синтезом белка

рРНК - крупные молекулы (3-5 тыс. нуклеотидов), в рибосомах, 90 % всей Рнк. Роль – инициация, окончание синтеза белка, отщепление готовых молекул белка от рибосом.

иРНК – несет генетическую информацию для построения белка (матричная). Молекулы состоят из триплетов (300 – 3000 нуклеотидов), 0.5-1% от общей массы РНК. Существует две фракции – Зрелая и РНК + ее предшественник.

тРНК – транспорт аминокислот к рибосомам, молекулы короткие (70-100 нуклеотидов). Для каждой аминокислоты существует свой тип тРНК, на одном конце – участок, к которому прикрепляется аминокислота, на другом конце триплет азотистых оснований (антикодон).

При комлиментарном совпадении антикодона тРНК с триплетом иРНК аминокислота занимает определенное место в строящейся белковой молекуле. ДНК – РНК – белок.

Гемоглобин — специфический белок эритроцитов, легко выделяемый из организма без применения трудоемких биохимических методик. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей (двух α- и двух β-цепей), каждая из которых соединена с небелковым компонентом — гемом, содержащим железо.

Гемолитические анемии. Проявляются в распаде эритроцитов, зависящем от неустойчивости гемоглобина

Метгемоглобинемии обусловлены ускоренным окислением двухвалентного железа до трехвалентного и образованием гемоглобина М

Эритроцитоз. Заключается в образовании большего, чем обычно, количества эритроцитов, что обусловлено повышенным сродством гемоглобина к кислороду, который с трудом высвобождается в тканях.

Серповидно-клеточная анемия. Заключается в замене гемоглобина НЬА на HbS, который отличается растворимостью и кристаллизацией в условиях гипоксии, что приводит к изменению формы эритроцитов, и проявляется фенотипическим многообразием симптомов. Бета нити погибают, преобразовываются в S2 или 2 альфа, бета S – в Африке не болеют анемией, в горах погибают.

Заболевания первых трех групп наследуются по доминантному типу, так что гетерозиготы по мутантному гену страдают нарушением здоровья.

HbA2 – 2 альфа нити в цепи, HbF – фетальный гемоглобин (гемоглобин плода) 2 альфа, 2 гамма нити, которые преобразовываются в 2 бета нити, HbU (Uterus) встречается в эмбрионе между 7 и 12 неделями развития, после появляется фетальный гемоглобин (после 3 месяца – основной гемоглобин плода).

Вопрос 9. Изменчивость и ее формы. Наследственная и ненаследственная изменчивость. Индуцированные и спонтанные мутации. Хромосомные абберации. Генные мутации. Генетическая инженерия. Цитоплазматическая наследственность. Наследственность и среда. Взаимодействие аллельных (доминирование, промежуточное наследование, неполное и сверхдоминирование, аллельное дополнение (комплементация) и аллельное исключение) и неаллельных генов (комплементарость, эпистаз и полимерия). Экспрессивность, пенетрантность, полигенность, плейотропия. Фенокопии и генокопии.

Наследственность — свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также повторять определенный тип индивидуального развития. Различают хромосомную (ядерную) и нехромосомную (неядерную) наследственность.

Изменчивость – общее свойство организмов изменять наследственные факторы и приобретать новые под действием мутаций, рекомбинации этих факторов, также проявляют вариабельность признаков под модификационным влиянием окружающей среды. Различают изменчивость ненаследственную и наследственную. Первая связана с изменением фенотипа, вторая – с изменением генотипа. Сейчас их называют иначе – модификационная (фенотипическая) и генотипическая (наследственная).

Наследственная изменчивость(генотипическая):

1. Комбинативная. Не происходит изменения числа и структуры хромосом. 3 источника: кроссинговер, независимое расхождение хромосом в анафазе 1 мейоза, случайное слияние гамет при половом размножении.

2. Мутационная. Мутации – генотипические изменения на уровне ДНК, возникающие на разных уровнях организации наследственного материала (генные, хромосомные, геномные), происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

Индуцированные мутации – вызваны специально направленными воздействиями, повышающими мутационный процесс.

Спонтанные мутации – возникают под влияние неизвестных природных факторов, чаще всего как результат ошибок при репликации ДНК.

Генные мутации – тонкие структурные изменения ДНК на уровне отдельных генов (наследственная гиперхолестеринемия, муковисцидоз, серповидно-клеточная анемия, болезнь Вильсона-Коновалова, фенилкетонурия).

• Мутации по типу замены азотистых оснований.

• Мутации со сдвигом рамки считывания.

• Мутации по типу инверсии нуклеотидных последовательностей в гене.

Хромосомные абберации - мутации, изменяющие структуру хромосом. При хромосомных аберрациях происходят внутри хромосомные перестройки:

1)Нехватки (делеции) возникают вследствие утери хромосомой того или иного участка. 2)Дупликации (удвоение) связано с включением лишнего дублирующего участка хромосомы. 3)Инверсии наблюдаются при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 180⁰. 4)Транслокации возникают, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к участку хромосомы из другой пары.

Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом:

1. Полиплоидия – кратное увеличение числа хромосом.

2. Аллоплоидия – умножение хромосом двух разных геномов.

3. Автоплоидия – умножение хромосом одного генома.

4. Гетероплоидия – не кратное увеличение числа хромосом.

Ненаследственная изменчивость (фенотипическая):

1. Модификационная. Модификации – фенотипические особенности, возникающие под действием внешних факторов. ГЕНОТИП + СРЕДА = ФЕНОТИП.

Генетическая инженерия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии. Генная инженерия микроорганизмов создает лекарственные препараты, генная инженерия растений выводит растения, устойчивые к вредителям и климату, генная инженерия животных выводит трансгенных животных.

Этапы генной инженерии:

1. Обнаружение свойства и ответственного за него гена

2. Выделение ДНК из клетки донора

3. Выделение нужного гена

4. Клонирование ДНК in vitro

5. Создание рекомбинантной ДНК

6. Использование вектора (средство, достигающие гена клетки реципиента – плазмиды)

7. Верификация дееспособности генов в ряду поколений

8. Способен ли регулироваться этот ген.

Цитоплазматическая наследственность – нехромосомная наследственность , которая осуществляется с помощью молекул ДНК, расположенных в пластидах и митохондриях. Путь передачи наследственной информации через цитоплазму. Генетическое влияние цитоплазмы проявляется, как следствие взаимодействия плазмона с ядерными генами. Признак, определяемый цитоплазмой, передается только по материнской линии.

Наследственность и среда. В генетической информации заложена способность развития определенных свойств и признаков. Эта способность реализуется лишь в определенных условиях среды. Одна и та же наследственная информация в измененных условиях может проявляться по-разному. Наследуется не готовый признак, а определенный тип реакции на воздействие внешней среды. Диапазон изменчивости в пределах которой в зависимости от условий среды один и тот же генотип способен давать различные фенотипы называется нормой реакции.

Аллели — различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных (парных) хромосом; определяют варианты проявления одного и того же признака. В диплоидном организме может быть два одинаковых аллеля одного гена, в этом случае организм называется гомозиготным, или два разных, что приводит к гетерозиготному организму.

Взаимодействие аллельных генов

1. Доминирование - это такое взаимодействие аллельных генов, при котором проявление одного из аллелей не зависит от присутствия в генотипе другого аллеля, и гетерозиготы не отличаются фенотипически от гомозигот по этому аллелю.

2. Промежуточное наследование - (отсутствие доминирования) потомство F₁ сохраняет единообразие, но не является похожим полностью ни на одного из родителей, а обладает признаком промежуточного характера.

3. Неполное доминирование - у гибридов F₁ признак занимает не среднее положение, а уклоняется в сторону родителя с доминирующим признаком.

4. Сверхдоминирование - у гибридов F₁  проявляется гетерозис (превосходство над родителями по жизнеспособности, энергии роста, плодовитости, продуктивности). 

5. Аллельное дополнение (межаллельная комплементация) - дополняющее друг друга действие двух аллелей одного гена или разных генов одного хромосомного набора. Относится к редким способам взаимодействия аллельных генов.

6. Аллельное исключение - такой вид взаимодействия аллельных генов в генотипе организма, при котором происходит инактивация (инактивация - частичная или полная потеря биологически активным веществом или агентом своей активности) одного из аллелей в составе хромосомы.

Таким образом, даже процесс формирования элементарного признака зависит от взаимодействия, по меньшей мере, двух аллельных генов, и конечный результат определяется конкретным сочетанием их в генотипе.

Взаимодействие неаллельных генов

Комплементарность - одна из форм взаимодействия неаллельных генов. Она заключается в том, что для развития каких-либо признаков необходимо наличие в генотипе 2 доминантных генов из разных неалльных пар. При этом каждый из комплементарных генов не обладает возможностью обеспечить развитие данного признака. (В таких случаях в поколении F2 расщепление идет в соотношении 9:7, что является модификацией менделеевской формулы расщепления 9:3:3:1)

Эпистаз - взаимодействие генов, при котором активность одного гена находится под влиянием вариаций других генов. Ген, подавляющий фенотипические проявления другого, называется эпистатичным; ген, чья активность изменена или подавлена, называется гипостатичным.

Полимерия - (аддитивное взаимодействие генов) - тип взаимодействия генов, при котором степень развития количественного признака определяется влиянием нескольких генов, действующих сходным образом (полимерные гены).

Экспрессивность – степень выраженности признака при реализации генотипа в различных условиях среды.

Пенетрантность – количественный показатель фенотипического проявления гена.

Полигенность - наличие нескольких неаллельных близкосцепленных генов, белковые продукты которых сходны в структурном отношении и выполняют идентичные функции.

Плейотропия — явление множественного действия гена. Выражается в способности одного гена влиять на несколько фенотипических признаков. Таким образом, новая мутация в гене может оказать влияние на некоторые или все связанные с этим геном признаки. Этот эффект может вызвать проблемы при селективном отборе, когда при отборе по одному из признаков лидирует одна из аллелей гена, а при отборе по другим признакам — другая аллель этого же гена.

Фенокопии – изменения фенотипа (похожие на мутации) под влиянием неблагоприятных факторов среды. В медицине фенокопии — ненаследственные болезни, сходные с наследственными. Признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться, при этом копируется признаки, характерные для другого генотипа. Мать во время беременности болела краснухой, то у ребенка расщелина губы и неба. Это пример фенокопии, т.к. этот признак развивается при отсутствии мутантного гена, определяющего данную аномалию. Этот признак не будет наследоваться. Лица, страдающие диабетом, но регулярно, аккуратно принимающие инсулин- фенокопия здоровых людей.

Генокопии – ряд сходных по фенотипическому проявлению признаков, вызванных различными неаллельными генами. С наличием генокопий связана генетическая неоднородность (гетерогенность) наследственных заболеваний. Пример - различные виды гемофилии, клинически проявляющиеся понижением свертываемости крови на воздухе. Эти разные по генетическому происхождению формы, связанные с мутациями неаллельных генов. Гемофилия А вызвана мутацией гена, контролирующего синтез фактора 8 (антигемофильного глобулина), а причиной гемофилии В является дефицит фактора 9 свертывающей системы крови.

Вопрос 10. Близнецовый метод в генетике. Виды монозиготных близнецов. Родословные карты и стратегия их анализа. Наследственная предрасположенность к заболеваниям. Роль наследственности и среды в формировании фенотипических признаков

di-di - монозиготные близнецы – две плаценты и два зародышевых мешка 20-30% от всех. Минимальные нарушения

Mono di- плацента общая но у каждого свой зародышевый мешок

Mono mono - общая плацента общий зародышевый мешок. Наибольший процент нарушений, т.к. высока конкуренция между ними.

Химеризация хромосом (мозаизм) – в образовании зародыша принимает участие 4 клетки: 2 слившихся в раннем эмбриогенезе зиготы. Часть тканей имеет гены одной зиготы, часть – другой.

Полуидентичные близнецы – одна яйцеклетка, два сперматозоида. Суперфетация – 2 яйцеклетки оплодотворены 2 разными спермиями (Вероятность разного отцовства – гетеросуперфетация. В межрасовом браке возможно рождение микс-близнезов.)

Близнецовый метод.

Этот метод используют в генетике человека для выяснения степени наследственной обусловленности исследуемых признаков. Близнецы могут быть однояйцовыми (образуются на ранних стадиях дробления зиготы, когда из двух или реже из большего числа бластомеров развиваются полноценные организмы). Однояйцовые близнецы генетически идентичны. Когда созревают и затем оплодотворяются разными сперматозоидами две или реже большее число яйцеклеток, развиваются разнояйцовые близнецы. Разнояйцовые близнецы сходны между собой не более чем братья и сестры, рожденные в разное время. Частота появления близнецов у людей составляет около 1% (1/3 однояйцовых, 2/3 разнояйцовых); подавляющее большинство близнецов является двойнями. Так как наследственный материал однояйцовых близнецов одинаков, то различия, которые возникают у них, зависят от влияния среды на экспрессию генов. Сравнение частоты сходства по ряду признаков пар одно- и разнояйцовых близнецов позволяет оценить значение наследственных и средовых факторов в развитии фенотипа человека.

Монозиготные близнецы образуются из одной зиготы, разделившейся на стадии дробления на две (или более) части. Они обладают одинаковыми генотипами. Монозиготные близнецы всегда одного пола.

Особую группу среди однояйцевых близнецов составляют необычные типы: двухголовые (как правило, нежизнеспособные) и ксифопаги («сиамские близнецы»). Наиболее известный случай — родившиеся в Сиаме (ныне Таиланд) сиамские близнецы — Чанг и Энг. Они прожили 63 года, были женаты на сестрах-близнецах. Когда от бронхита умер Чанг, спустя 2 часа умер и Энг. Их связывала тканевая перемычка от грудины до пупка. Позднее было установлено, что соединявшая их перемычка содержала печеночную ткань, связывающую две печени. Разделить близнецов на тот момент не представлялось возможным. В настоящее время разъединяют и более сложные связи между близнецами.

Изучение однояйцевых близнецов помогает понять, что и как в человеке определяется генами, а что — нет.

Дизиготные близнецы развиваются в том случае, если одновременно две яйцеклетки оплодотворены двумя сперматозоидами. Естественно, дизиготные близнецы имеют различные генотипы. Они сходны между собой не более, чем братья и сестры, т.к. имеют около 50 % идентичных генов.

Родословная (синоним генеалогия) - описание родственных отношений изучаемого лица, представленное, как правило, в виде схемы с использованием общепринятых условных обозначений. Суть этого метода состоит в том, чтобы выяснить родственные связи и проследить наличие нормального или патологического признака среди близких и дальних родственников в этой семье. После сбора всех необходимых данных составляется родословная карта, отражающая все собранные сведения.

Конкордантность – процент сходства между близнецами.

Дискондартность – процент различия в проявлении признака.

Если коэффициент наследственности больше 1, то признак наследственный.

Если от 0,5 до 1, то признак возник под влияние окружающей среды.

Персональная генетическая карта.

• Пренатальная диагностика

• Досимптоматическая диагностика

• Тест на гетерозиготное носительство

• Кариотипирование

• Скрининг генов предрасположенности (гены “внешней среды”, онкогены, гены-триггеры)

• Геномная дактилоскопия (Индивидуальный генетический характер)

Наследственная предрасположенность к болезням

Такие наиболее распространенные хронические недуги, как язвенная болезнь желудка и 12-перстной кишки, сахарный диабет, бронхиальная астма, гипертония и атеросклероз, шизофрения и т. д., имеют склонность к семейному накоплению, хотя и не явно выраженную строго генетически. К таким недугам   относятся   и   наиболее   частые врожденные пороки развития: заячья губа, волчья пасть, черепно-мозговые и спинномозговые грыжи, врожденные пороки сердца, косолапость, врожденный вывих бедра.

Считается, что все эти заболевания и врожденные пороки развития, занимающие наибольшее место в патологии человека, практически всегда являются результатом сочетанного действия, генетических и средовых факторов. Это означает, что одного только наследственного влияния недостаточно для развития таких болезней, впрочем, как и лишь одного влияния факторов окружающей среды. Гены, составляющие фон наследственной предрасположенности к болезни, как и средовые факторы, приводящие к реализации этой предрасположенности, сами по себе не вредны, действие их носит множественный характер, а вк.чпд каждого в суммарный эффект может быть самым незначительным.

Наследственная предрасположенность к таким «ненаследственным» болезням представляет собой неблагоприятную комбинацию самых обычных патологически не измененных полиморфных генов человека.

В генетической информации заложена способность развития определенных свойств и признаков. Эта способность реализуется лишь в определенных условиях среды. Одна и также наследственная информация в измененных условиях может проявляться по –разному. Пример - у кроликов гималайской породы и сиамских кошек характер отложения пигмента в волосяном покрове на различных частях тела определяется температурными условиями/ темная шерсть на более охлаждающихся участках/. Следовательно, наследуется не готовый признак, а определенный тип реакции на воздействие внешней среды. Отягощенная наследственность не обязательно должна проявиться. Многое зависит от тех условий, в которых находится человек

Реализация наследственной информации находится в прямой зависимости от среды. Положения:

1. Организм вне среды не существует. Организмы являются открытыми системами, находящимися в единстве с условиями среды, поэтому реализация наследственной информации происходит под контролем среды

2. Один и тот же генотип способен дать различные фенотипы, что определяется условиями, в которых реализуется генотип

3. В организме могут развиться только те признаки, которые обусловлены генотипом. Фенотипическая изменчивость происходит в пределах нормы реакции по каждому признаку.

4. Условия среды могут влиять на степень выраженности наследственного признака у организмов, имеющих соответствующий ген (экспрессивность) или на численность особей, проявляющий наследственный признак (пенетрантность).

Экспрессивность и пенетрантность гена – это зависимость проявления гена от влияния внешней среды.