Екзонно-інтронна організація генома еукаріотів

На відміну від прокаріотів еукаріоти мають сформоване ядро, відмежоване від цитоплазми ядерною оболонкою. Генетичний матеріал у них в основному зосереджений у хромосомах. Проте с відмінності і в самій організації генетичного матеріалу. Якщо В бактерій кодувальні гени є неперервними послідовностями ну-клеотидів, то практично в усіх еукаріотів гени є переривчастими: кодувальна частина гена один або декілька разів переривається некодувальною.

Відкриття явища переривчастості гена еукаріотів сприяло формуванню уяви про мозаїчну будову гена — коли кодувальні послідовності ДНК у межах того самого гена розділяються неко-дуючими вставками з неінформаційної, "мовчазної", ДНК. Коду­вальні ділянки отримали назву екзони, а неінформаційний мате­ріал — інтрони.

Така будова гена вказує, що функціональні частини гена роз'єднані, що ген не є неподільною одиницею не тільки щодо ре-комбінацій та мутацій, а й стосовно своїх функціональних влас­тивостей.

Відкриття екзонно-інтронної організації генів сприяло об­ґрунтуванню того, що поряд з міжгенною існує і внутрішньо-генна функціональна взаємодія. Ген (базиген) складається з окремих ділянок — центрів, названих трансгенними, які мають схожі функції. Між трансгенами одного гена існують такі самі алельні взаємозв'язки, як і між окремими функціонально різ­ними генами.

Для синтезу білка весь ген, зокрема екзони й інтрони, транс­крибується в довгу молекулу РНК (первинний транскрипт). Перш ніж покинути ядро, ця молекула РНК під дією комплексу фер­ментів зазнає процесингу — видаляються всі послідовності інтро-нів. Зріла молекула РНК стає значно коротшою (майже в 10 разів

порівняно з первинним транскриптом), виходить у цитоплазму у вигляді мРНК і бере участь у синтезі білка.

Отже, наявність в еукаріотів численних інтронів полегшує генетичну рекомбінацію між екзонами і забезпечує більшу гнуч­кість у синтезі білка. Виникнення нових білків збільшує ефектив­ність еволюції організмів.

Доведено, що з однієї первинної РНК у різних тканинах утворюється не один, а декілька різних за довжиною мРНК-транскриптів.

Генна інженерія. Біотехнологія

Генна інженерія — галузь молекулярної генетики, завдання якої — конструювати генетичні структури за заздалегідь намі­ченим планом, створювати організми з новою генетичною про­грамою. Виникнення генної інженерії стало можливим завдяки синтезу ідей і методів молекулярної біології, генетики, біохімії і мікробіології. Основні принципи генної інженерії були розробле­ні в 60—70-х роках XX ст. Вони включали три основних етапи: а) отримання генетичного матеріалу (штучний синтез або виділен­ня природних генів); б) включення цих генів у генетичну структу­ру, яка реплікується автономно (векторну молекулу ДНК), тобто створення рекомбінантної молекули ДНК; в) введення векторної молекули (із включенням у неї генома) у клітину-реципієнта, де вона вмонтовується в хромосомних апаратах.

Експериментальне перенесення генів в інший геном назива­ється трансгенезом. Він ґрунтується на технології рекомбінант­ної ДНК. В основі генної інженерії лежать різні методи маніпуля­цій із молекулами ДНК.

Отримання генетичного матеріалу

У сучасній генетиці використовують два способи синтезу ге­нів поза організмом — хімічний і ферментативний. Для хімічно­го синтезу необхідно мати повністю розшифровану послідовність нуклеотидів ДНК. Уперше штучний ген синтезував індійський вчений Г. Коран (1970). Це був ген аланінової тРНК дріжджів, який складався із 77 нуклеотидів. У перших дослідах він не вияв­ляв функціональної активності, бо не мав регуляторних ділянок. У 1976 р. вдалося синтезувати ген тирозинової тРНК кишкової палички, який складається не тільки зі структурної ділянки (126 нуклеотидних пар), а й регуляторних частин — промотора і тер­мінатора. Цей штучно створений за спеціальною програмою ген був трансплантований у бактеріальну клітину і функціонував як природний.

Іншим прикладом хімічного синтезу є синтез гена, який кодує фермент розщеплення лактози. Синтезований у пробірці ген був умонтований у плазміду і введений у бактерію; кишкова палич­ка набула здатності засвоювати лактозу. Проте хімічним шляхом можна синтезувати невеликі за розміром гени прокаріотів. Син­тез генів еукаріотів, які складаються з тисячі й більше нуклеоти-дів, шляхом хімічного синтезу створити поки що не вдалося.

Ферментативний синтез генів здійснюють за допомогою про­цесу зворотної транскрипції. Відкриття цього процесу зроблено на пухлиноутворювальних РНК-умісних вірусах. Проте згодом виявилося, що передавання генетичної інформації з іРНК на ДНК може відбуватися в умовах експерименту і з іншими РНК. Саме це лежить в основі ферментативного синтезу гена. Спрощено це можна подати так: у пробірці на матриці ІРНК за допомогою фер­менту зворотної транскриптази (ревертази) синтезується компле­ментарна до неї нитка ДНК, потім утворюється двониткова моле­кула ДНК. Після цього іРНК руйнується ферментом рибонуклеа­зою, отриману ДНК називають ДНК-копією (кДНК). Така кДНК не має вставок-інтронів, тобто схема її будови не відрізняється від бактеріального гена.

Матричну (інформаційну) РНК (мРНК) виділяють із клітин або тканин, в яких експресується потрібний ген. Так, для клону-вання проінсулінового гена використовують Р-клітини підшлун­кової залози, тому саме для них характерний високий вміст про-інсулінової мРНК.

Ген, отриманий внаслідок ферментативного синтезу, може функціонувати в бактеріальній клітині. На ньому синтезується іРНК, а потім білок. Під керівництвом В. Енгельгарда був отри­маний ген, який визначає синтез ферменту галактозидази. Цей ген вводили у фаг, при розмноженні якого в клітині одержали безліч копій, що забезпечило синтез великої кількості ферменту. Це має не тільки теоретичне, а й практичне значення, тому що галактозидаза застосовується в харчовій промисловості.

Синтезовано гени глобіну людини, кроля, голуба, деякі гени мітохондрій, печінки, пацюків і багато інших.

Гени, синтезовані за допомогою ревертази, не мають регуля­торної частини і промотора. Відсутність регуляторних ділянок перешкоджає функціонуванню цих штучних генів у тваринних клітинах. При перенесенні в мікробну клітину до структурних ге­нів експериментально, за допомогою ферментів, приєднують про­мотор, який добувають з мікробної клітини. Так були синтезовані два гени, відповідальні за синтез ланцюгів інсуліну. їх вводили в геном кишкової палички, яка почала продукувати інсулін. Важ­ливим досягненням генної інженерії є синтез гена соматостатину, який може функціонувати в мікробній клітині. Таким же мето­дом під керівництвом Ю.О. Овчиннікова і М.П. Дубініна здій­снено синтез генів, які кодують нейрогормони людини (лейцин-енкефалін і брадикінін).

Ферментативний синтез генів має велике значення, тому що принципово можливо проводити штучний синтез будь-яких інди­відуальних генів шляхом транскрипції їх із відповідних матрич­них РНК. Основною перешкодою є синтез не структурних, а регу­ляторних частин генів, необхідних для їх нормальної роботи. Це здебільшого обмежує використання штучно синтезованих генів.

У генній інженерії широко використовують так само і виді­лення природних генів з метою створення рекомбінативних мо­лекул днк.

Включення отриманого гена у вектор. Вектор це щось по­дібне до молекулярного "таксі", здатного переносити чужу ДНК всередину бактеріальної клітини таким чином, щоб вона там змо­гла реплікуватися. Існує два основні типи векторів: бактеріальні плазміди і бактеріофаги.

Після виділення або синтезу гена його зшивають з векторною (спрямовуючою) молекулою ДНК. Для цього використовують осо­бливі бактеріальні ферменти. Такі ферменти є в бактерій, у яких вони зупиняють репродукцію вірусу, вирізаючи вірусну ДНК із геному бактерії. Вони називаються рестриктазами, оскільки об­межують розмноження вірусів. Кожен тип ферментів рестрикції (а їх відомо близько 100) розділяє ДНК у специфічному місці, що називається сайтом рестрикції.

У проміжку, що з'явився, може бути розміщена ділянка чужо­рідної ДНК. Таку ДНК можна розрізати за допомогою того самого ферменту рестрикції. Одноланцюгові комплементарні кінці двох ДНК називають "липкими кінцями", тому що вони з'єднуються внаслідок комплементарного спарювання азотистих основ. Вони полегшують вставлення чужорідної ДНК у векторну.

Таким чином, можна поєднувати відрізки ДНК, отримані з різ­них джерел, і створювати комбінації генів в одній довгій молеку­лі. Оскільки водневі зв'язки легко розриваються, для з'єднання ділянок застосовують фермент лігазу — один із ферментів репа­рації. Комбінуючи різні рестриктази і лігази, можна розрізувати нитку ДНК у різних місцях і одержувати рекомбінантні молеку­ли (наприклад, плазмідну ДНК із вмонтованим чужим геном).

Вмонтовування в геном реципієнта. Векторні молекули, які містять у собі фрагменти чужорідної ДНК, повинні мати власти­вість, яка забезпечує третій етап генної інженерії — проникнення в клітину реципієнта і вмонтовування в її геном. Реципієнтні клі­тини, тобто клітини, обрані для клонування гена, можуть бути як про-, так і еукаріотичними. Найчастіше для цього використову­ють бактерії, оскільки їх легко одержувати у великих кількостях. Перенесення генів може здійснюватися з однієї бактерії в іншу за допомогою плазмід.

Рекомбінативні молекули ДНК відокремлюють від молекул, що містять тільки донорську або тільки плазмідну ДНК. Для їх­нього поділу використовується плазміда, що має два гени стійкос­ті до двох визначених антибіотиків. При цьому клітини, що рос­туть за наявності двох антибіотиків, містять тільки вихідну плаз-міду. Клітини, що гинуть під дією двох антибіотиків, позбавлені плазмід і містять тільки донорську ДНК. Клітини, що ростуть за наявності одного антибіотика і гинуть за наявності іншого, міс­тять рекомбінантну плазміду.

Якщо в плазміду вмонтовані інші гени, вони передаються в клітину-хазяїна шляхом трансдукції і вмонтовуються в її геном, де здатні до швидкої реплікації за допомогою ферментативної сис­теми клітини-хазяїна. Цей процес швидкого одержання великої кількості однакових копій називається клонуванням. Клон — це велика популяція ідентичних молекул, бактерій, клітин, організ­мів, які отримані від одного предка.

Клонування генів — це процес, що включає виділення й амп­ліфікацію (дублювання великої кількості) окремих генів у реци-пієнтних про- й еукаріотичних клітинах. Ці клітини, які містять потрібний нам ген, можна використовувати для одержання: а) ве­ликої кількості білка, що кодується даним геном, або б) великої кількості самого гена у високоочищеному вигляді.

Крім плазмід як вектор використовують фаги (фаг лямбда), віруси (мавпячий вірус 8У40). Під час використання фагів і віру­сів генетичний матеріал переноситься за допомогою трансдукції. Особливим випадком трансдукції є перенесення чужорідних ге­нів в еукаріотичні клітини за допомогою неонкогенних вірусів і фагів. Уперше припущення, що трансдукція можлива в еукаріо-тів, висловив С.М. Гершензон у 1966 р. під час дослідів на шовко­вичному шовкопряді.

Рекомбінантна ДНК-технологія має як наукове значення (дає змогу виділити окремий ген складного організму і вивчити його функцію на молекулярному рівні), так і практичне застосування. За допомогою рекомбінантної ДНК-технології можна виробляти різні білки для медичної практики. Такі ліки безпечніші, ніж аналогічні білки, отримані безпосередньо з організмів. Першим таким рекомбінантним препаратом став інсулін.

Інший важливий напрям біотехнології — виробництво вак­цин. Такі вакцини не можуть спричинювати хвороб, тому що ви­готовляються з одного із поверхневих білків. Ген такого білка ви­користовується для біореконструкції бактерій. Так створена вак­цина проти гепатиту В. Успішно ведеться робота над вакцинами для гепатитів А, С, хламідіозів, герпесу й інших захворювань.

Трансі енні організми. За допомогою методів генної інженерії можна одержати різні організми, які мають у складі свого гено­му чужорідні гени інших організмів. Такі організми називаються трансгенними. Ця галузь науки швидко розвивається.

У різних галузях господарської діяльності людини використо­вуються трансгенні бактерії. Крім того, що бактерії використову­ються для клонування генів і виробництва білка, вони реконстру­юються і для інших цілей.

Так, біоінженерні бактерії використовуються для оздоровлен­ня рослин. Бактерії, що живуть у рослинах і стимулюють утворен­ня кришталиків льоду, були змінені з холод-плюс на холод-мінус рослини. Такі бактерії почали захищати вегетативні частини рос­лин від морозу. У бактерій, що утворюють симбіоз із коренями кукурудзи, були введені гени (від інших бактерій), які кодують токсин для шкідливих комах. У природі існують бактерії, що мо­жуть розчепити будь-яку органічну речовину. Бактерії відбира­ються за здатністю розщеплювати певну речовину, а згодом ця здатність посилюється внаслідок біотехнології. Таким шляхом були створені бактерії, які поїдають нафту, що розлилася внаслі­док техногенних катастроф.

Бактерії використовують для бактеріального синтезу. Так, були реконструйовані бактерії для виробництва амінокислоти фенілаланіну.

Широке використання рекомбінантних бактерій у сільському господарстві, промисловості, захисті навколишнього середовища обмежувалося побоюванням того, що такі бактерії можуть змі­нити природні мікроорганізми в екосистемах з виникненням не­сприятливих наслідків. На даний час розроблено методи визна­чення, вимірювання і навіть блокування діяльності цих клітин у навколишньому середовищі.

Зручним об'єктом для генетичних маніпуляцій виявилися рослини, тому що рослинні клітини можна вирощувати в культу­рі, де з кожної клітини отримують цілу рослину.

Ведуться роботи зі створення біоінженерних рослин, що мо­гли б мати такі властивості: 1) високу пристосованість до умов зовнішнього середовища; 2) містити більшу кількість необхідних для людини поживних речовин; 3) тривалий час зберігатися без псування.

Розробляються трансгенні рослини, здатні продукувати в ін­тересах людини хімічні речовини й ліки. Реконструйовано карто­плю для продукції альбуміну людини. Передбачається, що в май­бутньому ці рослини зможуть утворювати такі білки, як гормони людини.

Швидкими темпами розвивається біоінженерія тварин. Яй­цеклітину вміщують у спеціальну мішалку разом із чужорідною ДНК і дрібними силікон-карбідними голками. Голки роблять множинні отвори в оболонці, крізь які ДНК попадає в клітину. За допомогою цієї технології бичачий гормон росту був уведений у яйцеклітини багатьох видів тварин. Завдяки цій технології отримали великих риб, корів, свиней, кроликів, овець. Транс­генні тварини створені для виробництва продуктів медичного значення.

Ланцюговим інструментом для генетичних досліджень стали трансгенні миші. Вони дають важливу інформацію для плануван­ня генної терапії в людини. Вчені, що вивчають м'язову дистро­фію Дюшена, виділили ген і його продукт — нормальний білок дистрофін, що відсутній у хворих. Запропоновано спосіб забезпе­чення хворих дітей дистрофіном. Але що буде, якщо дистрофін потрапить в інші тканини або його буде утворюватися занадто ба­гато? Для вирішення цих питань були створені трансгенні миші, у м'язах яких міститься дистрофіну в 50 разів більше, а також продукується цей білок в інших тканинах. Дистрофін не викли­кає в таких мишей патологічних відхилень.

Трансгенні миші виявилися вкрай необхідними при вивченні моногенних хвороб, злоякісних пухлин і навіть мультифакторі-альних хвороб людини.

Проте трансгенна технологія є неточною, тому що введення ДНК не спрямоване у визначений локус хромосоми. Ген, що пере­носиться, може порушити функцію іншого гена або потрапити під контроль інших генів. Навіть якщо трансген вставляється в хро­мосому й експресується, його ефект може бути перекритий таким самим геном клітини-хазяїна. Тому була розроблена технологія більш точного "націлювання" гена, при якій ген, що вводиться, займає місце свого двійника у хромосомі клітини-хазяїна. При цьому використовується природний процес гомологічної реком­бінації. Унаслідок такої технології заміняють інактивованим ге­ном активний ген у мишей і простежують ефект його відсутності навіть в ембріона. Так вивчають функцію білків імунної системи, механізм взаємодії онкогенів у виникненні пухлини, розвиток ге­нетичних захворювань.

"Націлювання" гена — складна методологія, вона не працює у заплідненій яйцеклітині ссавців. Ген можна впровадити тільки в клітину на ранніх етапах розвитку зародка, до його імплантації в стінку матки. Клітини такого зародка тотипотентні і багато генів у них ще не експресовані.

"Націлювання" гена має велике значення при створенні моде­лей генетичної патології у тварин. Важливо те, що вчені іденти­фікують версію людського алеля, який спричинює хворобу в тва­рин. Потім відповідний людський мутантний алель переносять в ембріональні стовбурові клітини і, нарешті, схрещують тварин, гомозиготних за інактивованим геном.

Тварин з "виключеним" геном використовують для вивчення хвороб, в яких задіяно багато генів. Наприклад, вивчають ате­росклероз шляхом інактивації сполучення генів, продукти яких контролюють ліпідний метаболізм.

РОЗДІЛ 3

Закономірності успадкування

Мнделівських ознак у людини.

Взаємодія генів

Генетика: предмет і завдання, етапи розвитку, основні терміни і поняття

Генетика — це розділ біології, що вивчає матеріальні основи спадковості і мінливості, а також закономірності успадкування га зміни ознак у ряді поколійь організмів.

Спадковість — універсальна властивість організмів зберігати передавати наступним поколінням подібні ознаки і особливості індивідуального розвитку та спадкову інформацію. Так, з курячо­го яйця з'являється курча, а не гусеня; з насіння тополі виростає гополя, а не липа; амеба поділяється навпіл і утворює дочірні аме-Зи, схожі з материнським організмом; зі статевих клітин собаки розвивається цуценя, а не кошеня; у людини народжується люди­на. На молекулярному рівні спадковість забезпечується репліка­цією (самоподвоєнням) ДНК, об'єднанням генетичного матеріалу під час утворення зиготи та незалежним розходженням хромосом у процесі мейозу. Спадковість забезпечує видову схожість орга­нізмів у ряді поколінь. Однак характеризуючись певною схожіс­тю, особини одного й того самого виду відрізняються одна від од­ної окремими ознаками. Це пояснюється здатністю живих орга­нізмів змінюватися.

Мінливість — універсальна властивість живих організмів на-5увати нових ознак у процесі індивідуального розвитку; ця влас­тивість є наслідком зміни генетичної інформації або взаємодії не-порушеної генетичної інформації з навколишнім середовищем. Завдяки мінливості в межах виду спостерігається велика різно­манітність особин за будь-якими ознаками. Мінливість забезпе­чує індивідуальні особливості організмів одного виду, за якими їх можна відрізняти один від одного.

Таким чином, єдність двох протилежних властивостей жит­тя — спадковості і мінливості — призводить, з одного боку, до відтворення в ряді поколінь організмів певних видових характе­ристик, а з другого — до різноманітності індивідуальних ознак у представників одного й того самого виду. Завдяки єдності цих властивостей життя види, що існують на Землі, з одного боку, за­лишаються сталими протягом довгого часу, а з другого — здатні до еволюції, утворюючи нові форми.

Історія розвитку генетики пов'язана з далеким минулим. За­вдяки поступовому розвитку насінництва, селекції сортів рослин та порід свійських тварин накопичився значний матеріал щодо спадковості та мінливості. Вчення Ч. Дарвіна про походження ви­дів (1865) та штучний добір значно сприяли підвищенню інтересу до вивчення проблем спадковості та мінливості.

Перші генетичні поняття з'явилися майже 6000 років тому, вже тоді велися племінні книги деяких видів тварин. Початковий період розвитку генетики був стихійним.

Перший період розвитку — період менделізму, пов'язаний з роботами Г. Менделя (1822—1884), якого вважають засновником генетики. Він увів гібридологічний метод, запропонував генетич­ну символіку, терміни, поняття, висловив гіпотези та відкрив за­кони успадкування ознак. Попри те що його закони були відомі широкому загалу з 1865 р., сучасники не надали їм належної ува­ги. Уже 1900 р. ці закони знову відкрили інші автори: Г. де Фриз (Голландія), К. Корренс (Німеччина), Е. Чермак (Австрія). Тому вважається, що офіційна історія розвитку генетики як науки по­чинається з 1900 р. У цей період було опубліковано мутаційну теорію Г. де Фриза (1901 —1903), починається з'ясування матері­альних основ спадковості.

Другий період розвитку генетики починається з 1920 р. У цей час зароджується молекулярна генетика. Новий напрям розвитку генетики пов'язаний з дослідженнями мікроорганізмів. У 1944 р. американський учений О. Ейлері шляхом біохімічного аналізу встановив, що речовина, яку виділив з бактерій Ф. Гріффін, є дез­оксирибонуклеїновою кислотою (ДНК).

Т. Морган розробив основи теорії гена. Структуру гена вивчали О.С. Серебровський, М.П. Дубінін. 1953 р. завдяки цим роботам, а також за допомогою рентгеноструктурного аналізу англійський фізик Д. Крик та американський хімік Дж. Уотсон створили мо­дель молекули ДНК.

Уже в 70-х роках XX ст. вчені відкрили генетичний код та мо­лекулярний механізм синтезу білків. Генетики розробили теорію регуляції дії генів, запропонували схему механізму генетичного контролю. Вдалося синтезувати ген клітини хлібних дріжджів. 'Гак поступово було закладено генну інженерію, яка реалізує можливість штучного синтезу генів та їх подальше введення в клітину. Цей період характеризується відкриттям індукованого мутагенезу та розвитком біохімічної генетики. Нині відбувається становлення мобільної генетики.

Сучасний період розвитку суспільства характеризується ви­користанням досягнень генетики в усіх галузях сільського госпо­дарства, медицини, екології, біотехнології.

Генетика є теоретичним підґрунтям для селекції рослин, тва­рин і мікроорганізмів. Українські селекціонери вивели сорти пшениці, які мають врожайність понад 100 ц з 1 га; порівняно із сортами, які вирощували в 30-х роках XX ст., урожайність пше­ниці збільшилася втричі. Значних успіхів учені досягли і в селек­ції соняшників: завдяки селекційній роботі, яку провів академік В.С. Пустовойт, олійність культури виведених сортів збільшила­ся майже на 80 %.

Таким чином, генетика з теоретичної науки перетворилася на прикладну. Отже, з'явилася змога розв'язати деякі глобальні проблеми, зокрема екологічні, харчові тощо.

Накопичення в навколишньому середовищі пестицидів, гер­біцидів, азотних добрив, які перетворюються на нітрати, різні токсичні хімічні речовини, не лише шкодить здоров'ю людей і тварин, а й має негативні генетичні наслідки для нащадків. Мута­генна активність властива не лише продуктам хімічної промисло­вості, а й фармацевтичним препаратам та парфумерним виробам.

Генетична токсикологія шляхом вивчення мутагенних проце­сі в та їхніх механізмів намагається зробити мінімальним вплив шкідливих речовин на організм людини.

Віотехнологія ґрунтується на комплексному використанні до­сягнень біохімії, мікробіології, генетики та поєднанні цих досяг­нень з інженерними науками. Завдяки біотехнології промисловість отримує багато різної продукції. Особливе значення для медици­ни мають білки, антибіотики, вітаміни. Шляхом генної інженерії створено штами кишкової палички, яка синтезує білки тваринно­го походження: гормон росту людини, інсулін, інтерферон. Отже, инання з генетики слугують науково-технічному прогресу.

Особливе значення для людини має розділ генетики, який вивчає успадкування та мінливість ознак людини, — антропо­генетика. Генетика людини є теоретичним підґрунтям сучасної медицини. Основи антропогенетики заклав у XX ст. англійський учений Ф. Гальтон. Він увів метод близнюків, генеалогічний, дер-матогліфічний методи дослідження людини. Методи Ф. Гальтона використовують у криміналістиці, медико-генетичних консуль­таціях, судово-медичній експертизі.

Для антропогенетики важливим є вивчення генотипів вірусів, бактерій, які є збудниками інфекційних хвороб. Особливе місце в ній відведено дослідженням імунітету, резистентності до різних лікарських препаратів.

Щоб забезпечити швидке розмноження цінних порід тварин, розроблено методи трансплантації ембріонів.

Для перенесення сторонніх генів у запліднену яйцеклітину використовують методику мікроін'єкцій частин молекули ДНК. Так, удалося в генотип коропа вмонтувати ген гормону росту форе­лі. Це дало змогу прискорити збільшення маси коропа на 20 %.

Створено банки генів, в яких зберігаються гени дикорослих рослин та тварин. Розроблено спеціальні температурні режими, які забезпечують збереження генів.

Медична генетика, яка є складовою частиною антропогене­тики, вивчає значення впливу спадковості та довкілля на роз­виток спадкових захворювань. Як галузь медицини вона, вико­ристовуючи сучасні методи дослідження, дає змогу встановити: чи спадкова патологічна ознака; типи успадкування, зиготність, генетичний ризик у разі хромосомних хвороб; остаточний діа­гноз; напрями профілактики захворювань та лікування хворого, бо кожна хромосома має собі подібну, парну.

Популяційна генетика вивчає розподіл алелів генів серед різ­них людських груп, залежність змін частоти генів від певних чинників.

Радіаційна генетика досліджує мутагенний вплив різних хі­мічних сполук на організм людини.

Основні закономірності успадкування ознак відкрив Г. Мен-дель у дослідах на рослинних гібридах завдяки гібридологічному методу.

Перша особливість методу Менделя виявляється в строгому підборі рослин для досліджень. Вони мають задовольняти такі умови:

• у них повинні бути сталі (стабільні) ознаки, що розрізня­ються в батьківських формах;

• гібриди мають бути захищені в період цвітіння від запилен­ня іншим пилком;

• не повинно бути будь-яких порушень родючості в гібридів , та їхніх нащадків.

Цим вимогам відповідали рослини родини бобові (посівний го­рох), у яких така будова квітки, за якої можливе тільки самоза­пилення, але можна провести і штучне запилення. Багато сортів гороху мають ознаки, які добре розрізняються і є стійкими, вони легко культивуються як у відкритому ґрунті, так і в горщиках. Підібрані сорти гороху Мендель 2 роки перевіряв на чистоту лі­тії. Подальше спостереження та аналіз, статистичне оброблення отриманих результатів дали змогу встановити певні закономір­ності.

Основні поняття, запропоновані Г. Менделем:

• "спадкові фактори" — матеріальні фактори спадковості, які передаються гаметами від батьків до нащадків;

• гомозигота — організм, у якого всі гамети за певною озна­кою однакові;

• гетерозигота — організм, у якого гамети за певною ознакою несуть альтернативні ознаки;

• домінантна ознака — це ознака, яка проявляється в гаметі в гомозиготному та гетерозиготному станах (АА, Аа);

• рецесивна ознака — це ознака, яка проявляється тільки в гомозиготному та гемізиготному станах (аа, XV);

• альтернативні ознаки — парні контрастні ознаки;

• моногібридне схрещування — схрещування, за якого спо­стереження ведеться за однією парою альтернативних ознак;

• дигібридне та полігібридне схрещування — схрещування, за якого спостереження ведеться за двома або більше пара­ми альтернативних ознак.

Гіпотези Г. Менделя

Після запліднення (злиття жіночої та чоловічої гамет) утво­рюється зигота- Спадковий матеріал зиготи збільшується вдвічі, порівняно з окремо взятою жіночою або чоловічою гаметою.

Це дало змогу Г. Менделю припустити, що всі ознаки в зиго­ті стали парними. При утворенні гамет у період дозрівання від­бувається мейоз. Під час І поділу мейозу в клітині розходяться хромосоми однієї пари гомологічних хромосом; а під час II поділу мейозу розходяться хроматиди кожної окремої двохроматидної хромосоми. Розходження хромосом та хроматид має незалежний характер. Унаслідок мейозу утворюються гамети. Кожна гамета з пари альтернативних ознак несе лише одну ознаку, отже, гамета "чиста" за будь-якою ознакою.

Гіпотезу Г. Менделя про "чистоти" гамет схематично можна показати так:

Цитологічне обґрунтування гіпотеза "чистоти" гамет отрима­ла після описання складних процесів, що відбуваються під час мейозу (Ван-Бенден, Т. Боварі, 80-ті роки XIX ст.), геніальна гі­потеза Г, Менделя перетворилася на закон "чистоти" гамет.

Сучасне пояснення цього закону можна дати, враховуючи те, що кожна ознака генетично зумовлена. Кожен ген існує у формі декількох алелей, Алельні гени — це гени, що визначають роз­виток альтернативної ознаки. Вони локалізуються в однакових локусах однієї пари гомологічних хромосом.

Під час мейозу в разі незалежного розходження хромосом та хроматид відбувається одночасно незалежне розходження алель-них генів, що й призводить до утворення "чистих" за будь-якою ознакою гамет. Передавання спадковості, що здійснюється під час розмноження (статевого та нестатевого), пов'язане з елемен­тарними дискретними одиницями спадковості — генами.

Пізніше було введено інші терміни та поняття: генотип і фе­нотип.

Генотип — сукупність усіх генів клітини (організму), які ло­калізовані в ядрі та поза ним. Генотип визначає норму реакції ор­ганізму.

Фенотип — сукупність усіх ознак та властивостей організму, які сформувалися внаслідок взаємодії генотипу з навколишнім середовищем.

Моногібридне схрещування: закон одноманітності гібридів першого покоління, закон розщеплення

Г. Мендель проводив схрещування різних сортів гороху. Об­рання об'єктом дослідження гороху пов'язане з тим, що йому властиве самозапилювання, він має багато сортів з чітко вира­женими ознаками. На прикладі моногібридного схрещування Г. Мендель відкрив перший та другий закони генетики.

Перший закон отримав назву закону одноманітності гібридів першого покоління. Він формулюється так: у разі схрещування гомозиготних особин, які відрізняються однією парою альтерна­тивних проявів ознаки, усе потомство в першому поколінні одно­манітне як за фенотипом, так і за генотипом.

А — жовтий колір насіння

а — зелений колір насіння

Р. АА х аа

Г. А, а

F₁: Аа

Генотип: Аа

Фенотип: жовте насіння

Другий закон — закон розщеплення. Він формулюється так: у разі схрещування двох гетерозиготних особин (гібридів), які аналізуються за однієї парою альтернативних проявів ознаки, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвід­ношенні 3:1 і за генотипом 1:2:1.

Р. Аа х Аа

Г. А, а А, а

F₁.: АА; 2Аа; аа

Генотип: 1АА : 2Аа : Іаа

Фенотип: 3 (жовте насіння): 1 (зелене насіння)

Аналізуюче схрещування, його практичне значення

Розглянемо два випадки моногібридного схрещування.

1. Р. АА х аа Г. А; а

F₁ Аа

2. Р. Аа х аа Г. А, а а

F₁:Аа; аа

У першому випадку всі нащадки мають однакові фенотипи та генотипи.

У другому випадку спостерігається розщеплення за феноти­пом та генотипом у співвідношенні 1:1. Таке розщеплення може вказати лікареві-генетику, який генотип мали батьки. Аналізую­че схрещування дає змогу встановити: організм за цією домінант­ною ознакою є гомо- чи гетерозиготою.

Схрещування організмів з генотипами Аа х аа називають ана­лізуючим.

Неповне домінування (проміжне схрещування)

Це схрещування характеризується появою в гетерозиготних нащадків ознаки, яка не властива батькам. У природі таке схре­щування трапляється досить часто. Прикладом неповного доміну­вання в людини є такі ознаки: цистинурія, серпоподібно-клітинна анемія. Так: аа — цистинові камені в нирках; Аа — підвищений вміст цистину в сечі; АА — здорові люди.

АА — здорові люди

Аа — підвищений вміст цистину

аа — цистинурія

Р. Аа х Аа

Г. . А,а; А., а

F₁ АА, 2Аа; аа

Відхилення від очікуваних наслідків може спостерігатися у випадках летальних генів у гомозиготному стані (аа — у разі бра-хідактилії, серпоподібно-клітинної анемії). Незначна кількість організмів у популяції може призвести до того, що закономірності Г. Менделя, які мають ймовірний характер, можуть не проявити­ся. Причина відхилень — можливі порушення мейозу та утворен­ня різної кількості життєздатних гамет, зигот. Але ці відхилення є лише окремими випадками, які не суперечать генетичним зако­номірностям, які відкрив Г. Мендель.

Третій закон — закон незалежного успадкування і комбіну­вання ознак.

Він формулюється так: у разі схрещування гомозиготних осо­бин, які різняться двома (або більше) альтернативними ознака­ми, у другому поколінні (Г₂) спостерігається незалежне успадко­вування і комбінування ознак, якщо гени, які їх визначають, роз­ташовані в різних парах гомологічних хромосом.

У дослідах з дигібридного схрещування Мендель аналізує дві пари альтернативних ознак: А — жовтий колір насіння, а — зелений колір насіння, В — гладеньке насіння, в — зморшкувате насіння.

Для точного написання генотипів можна застосовувати решіт­ку Пеннета:

Проаналізуємо результати, занесені до решітки Пеннета. Спів-мідношення насіння жовтого та зеленого кольорів 12 : 4 = 3 : 1. Співвідношення за другок/парою альтернативних ознак: 12 насі­нин мають гладеньку поверхню, а 4— зморшкувату, тобто 3:1. Це свідчить, що розщеплення за кожною парою ознак відбувається не­залежно від іншої пари ознак. Кількість гамет (т) у разі дигібрид­ного схрещування в дигетерозигот розраховують за формулою

т = 2 ⁿ

де n — кількість пар досліджуваних альтернативних ознак. Так, у разі дигібридного схрещування

т = 2²=4.

Кількість генотипів (§) розраховують за формулою

G=3ⁿ

де n — кількість пар досліджуваних альтернативних ознак. У разі дигібридного схрещування кількість генотипів стано­вить:

g ₌ 3²=3*3 = 9.

Ці генотипи мають таке співвідношення:

2ААВв 1AABB: 2АаВВ :4Aa				4АаВв : ІААвв : 2Аавв : ІааВв
							• •

чотири фенотипи в такому співвідношені:

9 А— В— : З А— вв : 3 аа В— : 1 аавв.

Якщо домінування за двома парами генів неповне, то слід очі­кувати 9 класів фенотипів у співвідношенні

1:2:2:4:1:2:1:2:1.

Менделівські ознаки людини. Ознаки людини, за які відпо­відають гени з моногенним успадковуванням, називають менде-лівськими ознаками (табл. 3). Вірогідність захворювання, тобто генетичний ризик у нащадків, вираховують за законами Г. Мен-деля. У родин з моногенними захворюваннями ймовірні феноти-пи нащадків, якщо генотипи батьків відомі, можна визначити за табл. 4.

^{Взаємодія генів}

Взаємодіють не самі гени, а їхні продукти — білки (фермен­ти), які їм відповідають. Тому взаємодіють усі гени — як алельні, так і неалельні (табл. 5).

Таблиця 5. Форми взаємодії генів Алельні гени Неалельні гени

Повне домінування Комплементарна дія

Неповне домінування Епістаз

Наддомінування Полімерія

Кодом інування

Взаємодія алельних генів

Повне домінування проявляється в тому разі, коли один з двох ферментів, що взаємодіють, значно активніший. Так, у до­слідах Г. Менделя вибрана ознака (жовтий та зелений кольори насіння) характеризується повним домінуванням жовтого ко­льору, тому що фермент, який зумовлює жовтий колір, має біль­шу активність, ніж фермент, що зумовлює зелений колір. Саме тому всі гібриди першого покоління одноманітні за фенотипом та генотипом.

Неповне домінування проявляється в багатьох ознаках у тих випадках, коли ферменти, що взаємодіють, незначно відрізня­ються своєю активністю.

Наддомінування проявляється, коли домінантний алель у ге­терозиготному стані ознаки, яка детермінується обома алелями, проявляється сильніше, ніж у гомозиготному стані (Аа > АА).

Явище кодомінування спостерігається на прикладі IV групи крові за системою АВО.

Група крові за системою АВО успадковується за типом мно­жинних алелів (табл. 6). Поява множинних алелів пов'язана з багаторазовою мутацією одного локусу хромосоми в різних осо­бин популяції. Так утворюються не два алелі гена, а декілька або серія множинних алелей.

За цією системою існує чотири фенотипи, які відрізняються між собою специфічними білками-антигенами (вони позначають­ся А, В) і містяться в еритроцитах та антитілах сироватки крові (а, b).

Іншою системою груп крові, яку було відкрито в 1927 р., є сис­тема М>1. У ній два алелі I^м, I^м є кодомінантними.

Серед населення Європи генотип І^МІ^М мають 36 % людей; І^м _ _1б %. _ ₄₈ о_/о

Успадковування резус-фактора, який є антигеном, що вперше було виділено в 1940 р. у макаки-резуса (КЬ-фактор), зумовлене трьома парами генів — С, Б, К. Ці гени розміщуються в одній хро­мосомі і тісно зчеплені, тому їхнє успадковування нагадує моно-генне. За статистичними даними, резус-позитивний фактор (КЬ⁺) мають 85 % людей, а резус-негативний (Шг) — 15 %. Отже, КЬ' зумовлений домінантними генами, а КЬ — рецесивними.

Визначення резус-фактора є обов'язковим у разі переливання крові. Особливо уважно треба слідкувати за показниками крові вагітних, які мають резус-негативну кров, якщо їхні чоловіки мають резус-позитивний фактор крові. Це пов'язано з тим, що в крові матері утворюються антитіла (їхня концентрація під час кожної наступної вагітності збільшується).

Якщо антитіла потрапили в кров'яне русло дитини, то це може спричинити гемолітичну хворобу (різного ступеня), самовільні викидні, мертвонародження.

Прикладом множинних алелів є ознака кольору волосся. У людини домінантною ознакою є темний колір волосся (А), а світ­лий (а) — рецесивною ознакою до темного волосся. Рудий колір волосся є алелем, який буде рецесивним до темного та світлого кольорів.

Взаємодія неалельних генів

Неалельні гени розміщуються в різних локусах однієї пари го­мологічних хромосом або в різних парах хромосом.

Комплементарна дія — найпоширеніша форма взаємодії од­нієї пари неалельних генів. Вона характеризується взаємодією кількох домінантних генів. Так, у людини нормальний слух зу­мовлюється двома домінантними генами, які доповнюють один одного (ген А визначає розвиток завитки, а ген В — слухового не­рва). Генотип людини з нормальним слухом А-В- обов'язково має два домінантні гени. Складні білки мають більше двох поліпеп-тидних ланцюгів. Кожний з них кодується окремим геном, які мають комплементарну взаємодію. Прикладом комплементарної взаємодії неалельних генів є захисний білок інтерферон, гемогло­бін та ін.

У разі схрещування дигетерозигот за комплементарними ге­нами у нащадків спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 9 : 7. Наприклад, комплементарна дія генів часто проявляється тоді, коли визначається колір віночка квіток. Так, у запашного горошку за наявності в генотипі двох домінантних генів (А та В) виявляється пурпуровий колір, а за наявності лише одного домінантного (або жодного) — білий колір.

Епістаз. Суть епістазу полягає в тому, що ген однієї алельної пари генів пригнічує фенотиповий прояв дії неалельного гена другої алельної пари. Ген, який пригнічує дію іншого гена, на­зивається супресором (пригнічувачем), або епістатичним. Якщо це домінантний ген, то епістаз називають домінантним. Якщо су­пресором виступає рецесивний ген, то епістаз називають рецесив­ним. Ген, якого пригнічують, називають гіпостатичним.

Досить часто причиною хвороб, пов'язаних з відсутністю пев­них ферментів (ферментопатії), є саме епістатична взаємодія ге­нів. Чудовим прикладом епістазу є бомбейський феномен (його назвали так тому, що він був виявлений в індусів Бомбея).

В індійській сім'ї було з'ясовано, що в матері — І група крові (І°І°), у батька — II (І^АІ^А), а в їхньої доньки виявилася IV (І^АІ^В). Це можна пояснити так: у батькової матері була III група крові, тому мати повинна була мати ген І^в, але прояв гена Рпригнічував-ся супресором. Тому не синтезувався еритроцитарний білок В, і в жінки був ген І^в, але фенотипово він не проявився.

Полімерія. Це взаємодія різних домінантних неалельних ге­нів, які впливають на одну ознаку.

Ознаки, які визначаються полімерними генами, називають полігенними. Кількісний вираз такої ознаки зумовлений одно­часною взаємодією полімерних генів. Такими ознаками в люди­ни є пігментація шкіри, зріст, маса тіла, показники артеріально­го тиску. На відміну від моногенних ознак (визначаються одним алелем генів) полігенні значною мірою залежать від умов середо­вища (харчування, способу життя, шкідливих звичок тощо).

Полігенне успадкування ознак у людини

Хвороби, спричинені полігенними ознаками, називають муль-тифакторіальними. Саме вони посідають перше місце в спадко­вій патології людини. Це бронхіальна астма, цукровий діабет, ви­разкова хвороба, природжені вади серця та ін.

Варто знати, що генотип як збалансована і взаємодіюча сис­тема генів організму фенотипно проявляється у вигляді ознак та властивостей, які є наслідком різних форм взаємодії генних продуктів. Полімерні гени позначають однією літерою латинського алфавіту з цифровим індексом, наприклад: А₁A₁a₁a₁; А₂А₂а₂а₂; А₃A₃a₃a_3.

Адіативна (сумарна) полімерія характеризується тим, що про­яв конкретної ознаки залежить від кількості домінантних генів.

Наприклад, при схрещуванні червонозернового сорту пше­ниці з білозерновим було встановлено, що рослинам з червоними зернами відповідає генотип А А^А₂А₂₉ а рослинам з білими зерна­ми — генотип а,а,а₂а₂; генотипу А, А₁А₂а₂ відповідає червонуватий колір зернівки, а генотипу А₁А₁а₂а₂ — блідий колір зернівки.

До полігенних ознак у рослин належать: інтенсивність росту, скоростиглість; у тварин: підвищені надої молока, яйценосність та багато інших. ,

Саме тому що ознака кодується декількома генами, вона на­дійніше захищена від впливу чинників довкілля, мутацій. Полі­мерія — це основа стабільності організмів.

Різні організми значно відрізняються за ступенем прояву од­нієї й тієї самої ознаки, хоча вона й визначається однаковими ге­нами. М.В. Тимофєєв-Ресовський (1927) запропонував терміни "експресивність" та "пенетрантність".

Експресивність — мінливість фенотипового прояву гена, яка відбувається в межах норми реакції. Галактоземія — це спадко­ва хвороба, яка має аутосомно-рецесивний тип успадковування. Симптоми захворювання з'являються в новонароджених після споживання молока. Але прояви захворювання бувають різні. Так, у 90 % випадків з'являється гепатомегалія, у 78 % — жов­тяниця, у 42 % — катаракта, у 37 % — блювання. У деяких дітей спостерігаються катаракта та затримка психомоторного розвитку, що дає змогу запідозрити галактоземію, яка підтверджується да­ними лабораторних досліджень. Зрозуміло, що всі діти, хворі на галактоземію, мають однаковий генотип (аа), але форми її прояву різні. Діти, яких не лікують, як правило, гинуть у перші місяці життя, а в разі ранньої діагностики та своєчасного лікування за допомогою дієти вони розвиваються нормально.

Пенетрантність — це кількісний показник фенотипового прояву гена. Пенетрантність змінюється в широких межах. Вона виражається відношенням відсотка особин, у яких певний ген

проявляється у фенотипі, до загальної кількості особин, які ма­ють цей ген у генотипі.

Якщо пенетрантність дорівнює 100 %, то це означає, що в усіх особин, які мають цей ген, він проявляється у вигляді нормальної чи патологічної ознаки.

Наприклад, якщо пенетрантність гена дорівнює 20 % (приро­джений вивих стегна), то це означає, що зі 100 людей, які мають ген природженого вивиху стегна, лише 20 будуть хворіти.

Отже, навіть наявність патологічного гена не завжди призво­дить до появи захворювання. Має значення одночасна дія бага­тьох факторів: харчування, умови навколишнього середовища, надходження в організм шкідливих та лікарських речовин.

Плейотропна дія гена

Плейотропну, або множинну, дію гена вперше встановив Г. Мендель. Він помітив, що в рослин з пурпуровими квітками че­решки листків завжди червоні, а шкірка насіння — біла. Ці три ознаки виявлялися завжди разом, тому що вони визначаються од ним геном.

У 1896 р. А. Марфан описав синдром, за яким у людей спо­стерігаються одночасно такі діагностичні ознаки: високий зріст, арахнодактилія, або кисть павука (тонкі та довгі пальці), гіперру-хомість суглобів, аневризма аорти. Аутосомно-домінантний ген, що спричинює це захворювання, має плейотропну дію й одночас­но впливає на розвиток декількох ознак.

Розрізняють первинну та вторинну плейотропію. При первин­ній плейотропії ген проявляє одночасно множинну дію. При вто­ринній плейотропії, після первинного фенотипового прояву гена, розвиваються множинні ефекти.

Явище плейотропії підкреслює складність взаємодії генів, яка сприяє формуванню унікального генотипу кожного організму.

Розділ 4

Хромосомна теорія спадковості.

Генетика статі.