6. Понятие о неаллельных генах. Их локализация в хромосомах. Эпистаз. Полимерия.

Понятие о неаллельных генах

Неаллельные гены — это гены, расположенные в различных участках хромосом и кодирующие неодинаковые белки. Неаллельные гены также могут взаимодействовать между собой взаимодействие генов, противоположное комплементарному, получило название эпистаза. Под эпистазом понимают подавление неаллельным геном действия другого гена, названного гипостатическим.

Взаимодействие генов разных ал. пар – комплементарное действие, эпистаз, полимерия.

Сложные отношения возникают между неаллельными парами генов.

Комплементарное действие. Комплементарными называются взаимодополняющие гены, когда для формирования признака необходимо наличие нескольких неаллельных (обычно доминантных) генов. Этот тип наследования в природе широко распространен.

У душистого горошка окраска венчика цветка обусловлена нал чем двух доминантных генов (А и B), в отсутствие одного ' из них — цветки белые. Поэтому при скрещивании растений с генотипами ААbb и ааВВ, имеющих белые венчики, в первом поколении растения оказываются окрашенными, а во втором поколении расщепление происходит в соотношении 9 окрашенных к 7 неокрашенным (3Аbb + 3ааВ + 1ааbb).

Комплементарное взаимодействие генов у человека можно показать на следующих примерах. Нормальный слух' обусловлен двумя доминантными неаллельными генами D и Е, из которых один определяет развитие улитки, а другой—слухового нерва. Доминантные гомозиготы и гетерозиготы по обоим генам имеют нормальный слух, рецессивные гомозиготы по одному из этих генов — глухие.

Эпистаз. Взаимодействие генов, противоположное комплементарному, получило название эпистаза. Под эпистазом понимают подавление неаллельным геном действия другого гена, названного гипостатическим.

Проявление эпистаза у человека можно показать на следующем примере. Ген, обусловливающий группы крови по системе Л 60, кодирует не только синтез специфических белков, присущих данной группе крови, но и наличие их в слюне и других секретах. Однако при наличии в гомозиготном состоянии рецессивного гена по другой системе крови — системе Люис выделение их в слюне и других секретах подавлено. Другим примером эпистаза у человека может служить «бомбейский феномен» в наследовании групп крови. Он описан у женщины, получившей от матери аллель 1В, но фенотипически имеющей первую группу крови. Оказалось, что деятельность аллеля 1В подавлена редким рецессивным аллелем гена «х», который в гомозиготном состоянии оказывает эпистатическое действие.

В проявлении ферментопатий (т. е. болезней, связанных с отсутствием каких-либо ферментов) нередко повинно эпистатическое взаимодействие генов, когда наличие или отсутствие продуктов реализации какого-либо гена препятствует образованию жизненно важных ферментов, кодируемых другим геном.

Полимерия. Различные- доминантные неаллельные гены могут оказывать действие на один и тот же признак, усиливая его проявление. Такие гены получили название однозначных, или полимерных, а признаки, ими определяемые, — полигенных. В этом случае два или больше доминантных аллелей в одинаковой степени оказывают влияние на развитие одного и того же признака.

Важная особенность полимерии — суммирование (аддитивность) действия неаллельных генов на развитие количественных признаков. Если при моногенном наследовании признака возможно три варианта «дозл гена в генотипе: АА, Аа, аа. то при полигенном количество их возрастает до четырех и более. Суммирование «доз» полимерных генов обеспечивает cуществование непрерывных рядов количественных изменений.

Биологическое значение полимерии заключается еще и в том, что определяемые этими генами признаки более стабильны, чем кодируемые одним геном. Организм без полимерных генов был бы крайне неустойчив: любая мутация или рекомбинация приводила бы к резкой изменчивости, а это в большинстве случаев невыгодно.

11. Наследственность и изменчивость – фундаментальные свойства живого, их диалектическое единство. Общее понятие о генетическом материале и его свойствах: хранение, изменение, репарация, передача и реализация генетической информации.

Наследственность — это свойство всех существ сохранять и передавать наследственную информацию в ряду поколений. Наследственность обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе передачи наследственных задатков, ответственных за формирование признаков и свойств организма.

Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства в процессе онтогенеза. Изменения фенотипа могут возникать под действием внешней среды или появляются в результате изменений наследственного материала организма. Различают ненаследственную (модификационную) и наследственную (комбинативную и мутационную) изменчивость.

Это два фундаментальных свойства жизни, которые можно рассматривать как на клеточном, организменном уровнях жизни, так и на популяционно-видовом. Наследственность закрепляет в ряду поколений биологически полезные эволюционные приобретения, обеспечивая определенный консерватизм организации живых систем. Это один из главных факторов эволюции. Изменчивость обеспечивает способностью к приобретению и сохранению некоторых изменений, полезных в новых условиях среды. Иногда изменчивость проявляется в возникновении отличий между организмами, что вызывает образование новых видов. Это вносит изменения в межвидовые отношения в биоценозах. Изменчивость отражает динамичность живых систем.

Изменчивость позволяет приобретать новые признаки и закреплять их, наследственность передавать их в ряду поколений.

Генетический материал — компоненты клетки, структурно-функциональное единство которых обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследств, информации при вегетативном и половом размножении.

Свойства генетического материала:

хранение — генетическая информация, закодированная в последовательности нуклеотидов ДНК, содержится как в соматических, так и в половых клетка; в соматических хранится диплоидный набор хромосом, в половых клетках гаплоидный набор хромосом

изменение — изменение генетического материала происходит за счет мутационной изменчивости (генные, геномные и хромосомные мутации) и комбинативной изменчивости (конъюгация и кроссинговер);

репарация — исправлять химические повреждения нуклеотидов и разрыв молекул ДНК, поверженных при синтезе или в результате воздействия физических или химических агентов;

передача — непосредственная передача генетического материала в процессе размножения, т.е. слияния половых клеток, восстановление диплоидный набор хромосом;

реализация — биосинтез белка является процессом реализации наследственной информации. Образовавшиеся белки – ферменты вступают в цепь биохимических реакций, конечным результатом которых являются формирование фенотипического выражения признака.

12. Анализ состава и структуры ДНК. Доказательства значения ДНК как вещества наследственности. ДНК – особенности строения и свойства как вещества наследственности. Митоходриальный геном. Цитоплазматическая наследственность.

ДНК – это биополимер, мономерами которого являются нуклеотиды. В состав нуклеотида входят сахар — дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований — пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин).

Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении.

Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот. ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси вправо. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага — 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.

Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру —полинуклеотидную цепь, вторичную структуру—две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями.

Одним из доказательств роли ДНК в передаче наследственной информации стали опыты по трансформации бактерий (Гриффит, 1929). Ф. Гриффит исследовал действие двух штаммов бактерий на организм мышей. Капсульные бактерии были патогенны (вирулентные) и вызывали гибель мышей от пневмонии, бескапсульные были непатогенны, мыши оставались живы. При введении в организм мышей смеси живых авирулентных и убитых кипячением вирулентных бактерий, мыши погибали. Ф. Гриффит открыл явление трансформации бактерий — появление капсулы и вирулентности у бескапсульных бактерий при контакте их с вирулентным штаммом. Трансформация бактерий — это способность одного штамма бактерий встраивать в свою ДНК участки ДНК другого штамма и приобретать при этом его свойства.

В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти выделили из бактерий фактор трансформации и определили, что он из себя представляет. При добавлении ферментов, разрушающих белки, РНК, липиды и углеводы, бактерии оставались вирулентными. Но при добавлении фермента, расщепляющего ДНК, вирулентность бактерий пропадала. Освальд Эвери обосновал, что ДНК, а не белки, трансформируют свойства клеток.

Следующим доказательством роли ДНК в передаче наследственной информации были опыты А. Херши и М. Чейз (1962 г.) с бактериофагами и радиоизотопами. Ученые использовали ДНК-содержащие бактерии для выяснения точной природы передаваемого гена-материала. Бактериофаги были разделена на 2 группы. Одну группу растили в присутствии радиоактивного изотопа серы, которая входила в состав белка, но отсутствовала в ДНК. Другую группу получили в присутствии радиоактивного изотопа фосфора, который присутствовал в ДНК, но отсутствовал в белке. Фагами заразили 2 группы бактерий. После этого каждую группу центрифугировали, чтобы отделить бактерий от вирусов. Когда ученые измерили радиоактивность в бактериях, они обнаружили присутствие радиоактивного изотопа фосфора. А в бактериофагах был обнаружен радиоактивный изотоп серы. Был сделан вывод о том, что бактериофаги передают бактериям ДНК, а не белок.

Принципы строения ДНК:

1. Нерегулярность – существует регулярный сахарофосфатный остов, к котируемому присоединены азотные основание, чередование которых нерегулярно.

2. Антипараллельность – ДНК состоит из 2 полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно (3-конец расположен напротив 5-конца).

3. Комплементарность – каждому азотистому основанию одной цепи строго соответствует определенное азотистое основание другой цепи. Пурин и пиримидин образуют водородные связи: А=Т, ГЦ.

4. Наличие регулярной вторичной структуры – две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют спирал

Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию —репликация. Это свойство обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК, состоящей из двух комплементарных цепей. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали.

Для поддержания главных характеристик клетки или организма на протяжении их жизни, а также в ряду поколений наследственный материал должен отличаться устойчивостью к внешним воздействиям или должны существовать механизмы коррекции возникающих в нем изменений. В живой природе используются оба фактора. Третьим фактором является точность копирования нуклеотидных последовательностей материнской ДНК в процессе ее репликации.

Нескорректированные изменения химической структуры генов, воспроизводимые в последовательных циклах репликации и проявляющиеся у потомства в виде новых вариантов признаков, называют генными мутациями.

Цитоплазматическая наследственность.

Наличие некоторого количества наследственного материала в цитоплазме в виде кольцевых молекул ДНК митохондрий и пластид, а также других внеядерных генетических элементов дает основание специально остановиться на их участии в формировании фенотипа в процессе индивидуального развития. Цитоплазматические гены не подчиняются менделевским закономерностям наследования, которые определяются поведением хромосом при митозе, мейозе и оплодотворении. В связи с тем, что организм, образуемый вследствие оплодотворения, получает цитоплазматические структуры главным образом с яйцеклеткой, цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии.

Критерии цитоплазматической наследственности:

• наследование идет по материнской линии через цитоплазму яйца;

• отсутствие расщепления признаков в потомстве по законам Менделя;

• невозможность выявить группы сцепления;

• различные результаты возвратного скрещивания (при ядерном наследовании они одинаковы).

Поскольку митохондрии наследуются ребенком от матери с цитоплазмой овоцитов, все дети больной женщины унаследуют заболевание независимо от пола ребенка. Пораженные девочки, выходя замуж, будут рожать только больных детей, в то время как у больных мужского пола все дети будут свободны от данного заболевания. По митохондриальному типу наследуются атрофия зрительного нерва Лебера, митохондриальная миоэнце-фалопатия, синдром Лея, болезнь Кернса—Сейра и некоторые другие заболевания. В настоящее время описано более 10 различных заболеваний, при которых обнаружены мутации митохондри-альной ДНК. Поскольку изменения митохондриального генома приводят к нарушениям пируватдегидрогеназного комплекса, дефектам ферментов дыхательной цепи, бета-окисления и цикла Кребса, в клинической картине митохондриальных заболеваний ведущими являются тяжелые поражения ЦНС, органов зрения, сердца и мышц. Митохондриальная ДНК накапливает мутации более чем в десять раз быстрее по сравнению с ядерным геномом - это связано с тем, что митДНК лишена защитных гистонов и, как уже упоминалось, ее окружение чрезвычайно богато реактивными видами кислорода, являющимися побочным продуктом метаболических процессов, протекающих в митохондриях; кроме того, восстановительные механизмы митДНК малоэффективны по сравнению с ядерной.