Genetics_sivolob_et_al
.pdf
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
ГЕНЕТИКА
Підручник
З а т в е р д ж е н о Міністерством освіти і науки України
як підручник біологічних спеціальностей університетів
УДК 575(075.8) ББК 28.04я73 Г34
Рецензенти:
д-р мед. наук, проф. І.Р. Бариляк, д-р біол. наук, проф. О.М. Дуган, д-р біол. наук, проф. В.В. Філоненко
За редакцією д-ра біол. наук., проф. А.В. Сиволоба
Затверджено до друку Вченою радою Київського національного університету імені Тараса Шевченка
5 березня 2007 року
Авторський колектив: д-р біол. наук, проф. А.В. Сиволоб (розд. 1, 2, 3, 5, 6, 9); канд. біол. наук, доц. С.Р. Рушковський (розд. 4, 6, 7); канд. біол. наук, асист. С.С. Кир’яченко (розд. 6, 9); канд. біол. наук, асист. К.С. Афанасьєва (розд. 4, 6); канд. біол. наук, доц. В.Ф. Безруков (розд. 8); канд. біол. наук, доц. І.А. Козерецька (розд. 3); д-р біол. наук, проф. С.В. Демидов (розд. 9).
Сиволоб, А.В.
Г34 Генетика : підручник / А.В. Сиволоб, С.Р. Рушковський, С.С. Кир’яченко та ін. ; за ред. А.В.Сиволоба. – К. : Видавничо-поліграфічний центр "Київський універси-
тет", 2008. – 320 с.
ISBN 975-966-439-108-2
Викладено сучасні уявлення про механізми спадковості й мінливості. Описано принципи молекулярної генетики, закономірності спадкування ознак, механізми мін- ливості генетичного матеріалу, особливості генетичних процесів у про- та еукаріотів, у тому числі в людини, а також основи генетики популяцій і генетичної інженерії.
Для студентів біологічних спеціальностей університетів, медичних і аграрних вищих навчальних закладів, а також для аспірантів і науковців, які цікавляться генетикою.
Іл. 135. Бібліогр.: 52.
Гриф надано Міністерством освіти і науки України
(лист № 1.4/18-Г-808 від 04.04.08)
|
ББК 28.04я73 |
|
УДК 575(075.8) |
ISBN 975-966-439-108-2 |
© Сиволоб А.В., Рушковський С.Р., Кир’яченко С.С. та ін, 2008 |
|
© Київський національний університет імені Тараса Шевченка, |
|
Видавничо-поліграфічний центр "Київький університет", 2008 |
ЗМІСТ
Вступ .............................................................................................................. |
7 |
Розділ 1. Природа генетичного матеріалу ................................................. |
9 |
Структура ДНК ............................................................................................ |
9 |
Хімічна будова нуклеїнових кислот ......................................................... |
9 |
Подвійна спіраль.................................................................................... |
12 |
Білково-нуклеїнові взаємодії.................................................................. |
15 |
Шлях передачі інформації в живих системах: |
|
"центральна догма" молекулярної генетики............................................... |
17 |
ДНК як генетичний текст: організація геномів ......................................... |
18 |
Структурна організація ДНК у клітинах.................................................... |
22 |
Структура хроматину ............................................................................ |
23 |
Хромосоми ............................................................................................. |
26 |
Реплікація ДНК .......................................................................................... |
29 |
Репарація ДНК........................................................................................... |
35 |
Пряма репарація.................................................................................... |
35 |
Ексцизійна репарація............................................................................ |
36 |
Репарація некомплементарних пар основ – місметчів .......................... |
38 |
Неточний синтез ДНК............................................................................ |
39 |
Репарація дволанцюгових розривів....................................................... |
41 |
Гомологічна рекомбінація ДНК.................................................................. |
42 |
Клітинний цикл і клітинний поділ в еукаріотів ......................................... |
47 |
Базові закономірності спадкування .......................................................... |
50 |
Розділ 2. Експресія генів............................................................................ |
53 |
Генетичний код ......................................................................................... |
54 |
Синтез білків.............................................................................................. |
57 |
Транспортні РНК.................................................................................... |
57 |
Рибосома й механізм трансляції ............................................................ |
59 |
Експресія генів у прокаріотів.................................................................... |
62 |
Транскрипція......................................................................................... |
62 |
Регуляція транскрипції .......................................................................... |
66 |
Експресія генів в еукаріотів ...................................................................... |
70 |
Ініціація транскрипції ........................................................................... |
71 |
Елонгація транскрипції, процесинг і термінація синтезу мРНК............ |
79 |
Особливості білкового синтезу в еукаріотів ........................................... |
76 |
Регуляція генної експресії в еукаріотів...................................................... |
77 |
Регуляція транскрипції .......................................................................... |
77 |
РНК-інтерференція ................................................................................ |
82 |
Альтернативний сплайсинг.................................................................... |
82 |
Що таке ген? .............................................................................................. |
84 |
Розділ 3. Формальна генетика: закономірності спадкування ознак ...... |
89 |
Закони Менделя......................................................................................... |
90 |
Моногібридні схрещування.................................................................... |
91 |
Взаємодія алелів одного гена ................................................................. |
93 |
Дигібридні й полігібридні схрещування ................................................ |
95 |
Відхилення від менделівських розщеплень................................................ |
96 |
Установлення факту відхилення: критерій χ 2 ....................................... |
96 |
Причини статистично значущих відхилень від менделівських розщеп- |
|
лень ........................................................................................................ |
99 |
Взаємодія неалельних генів ..................................................................... |
101 |
Кількісні ознаки....................................................................................... |
108 |
Хромосоми як групи зчеплення генів ...................................................... |
112 |
Спадкування ознак, зчеплених зі статтю ............................................ |
113 |
Кросинговер............................................................................................. |
115 |
Генетичні наслідки обмінів ділянками |
|
між гомологічними хромосомами ........................................................ |
115 |
Подвійний кросинговер ....................................................................... |
118 |
Інтерференція ...................................................................................... |
120 |
Конверсія гена ..................................................................................... |
122 |
Нерівний кросинговер ......................................................................... |
122 |
Мітотичний кросинговер ..................................................................... |
123 |
Розділ 4. Мінливість генетичного матеріалу......................................... |
125 |
Типи мутацій ........................................................................................... |
126 |
Молекулярні механізми мутаційної мінливості........................................ |
131 |
Пошкодження ДНК, що виникають у процесі |
|
життєдіяльності клітини ...................................................................... |
131 |
Помилки реплікації та репарації.......................................................... |
133 |
Механізми виникнення поліплоїдій і анеуплодій................................. |
136 |
Індукція мутацій мутагенними факторами ......................................... |
137 |
Наслідки мутаційної мінливості .............................................................. |
140 |
Модифікаційна мінливість ...................................................................... |
142 |
Розділ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів ........ |
145 |
Організація генетичного апарату прокаріотів ........................................ |
145 |
Обмін генетичним матеріалом між бактеріями...................................... |
147 |
Бактеріофаги........................................................................................... |
150 |
Сайт-специфічна рекомбінація ............................................................... |
152 |
Життєвий цикл бактеріофага λ ............................................................... |
154 |
4
Віруси еукаріотів ..................................................................................... |
157 |
Одноклітинні еукаріоти ........................................................................... |
159 |
Дріжджі ............................................................................................... |
160 |
Інфузорія.............................................................................................. |
165 |
Розділ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів................................... |
167 |
Еукаріотичні геноми................................................................................ |
168 |
Загальні риси будови еукаріотичних геномів ...................................... |
168 |
Генетичні ефекти активності мобільних елементів ............................. |
172 |
Еволюційна зміна геномів ................................................................... |
175 |
Запрограмовані геномні перебудови: V(D)J-рекомбінація імуноглобулі- |
|
нових генів........................................................................................... |
177 |
Епігенетичне спадкування ...................................................................... |
180 |
НР1-залежна система репресії............................................................. |
180 |
Метилювання ДНК............................................................................... |
182 |
Гетерохроматин і РНК-інтерференція.................................................. |
183 |
Ефект положення гена......................................................................... |
184 |
Цитоплазматична спадковість: генетика мітохондрій і хлоропластів ..... |
185 |
Геноми мітохондрій ............................................................................. |
186 |
Геном хлоропластів .............................................................................. |
188 |
Основні характеристики спадкування генів органел.......................... |
190 |
Генетика статі.......................................................................................... |
191 |
Механізми визначення статі................................................................ |
192 |
Спадкування ознак і стать .................................................................. |
198 |
Компенсація дози генів і походження статевих хромосом .................. |
199 |
Генетика індивідуального розвитку......................................................... |
201 |
Генетичний контроль розвитку Drosophila .......................................... |
202 |
Розвиток Caenorhabditis elegans.......................................................... |
207 |
Розділ 7. Генетика людини ...................................................................... |
213 |
Людина як генетичний об'єкт.................................................................. |
214 |
Геном людини .......................................................................................... |
216 |
Визначення типів спадкування в людини. Складання родоводів.......... |
220 |
Кількісні й багатофакторні ознаки людини............................................. |
226 |
Близнюковий метод і метод приймаків............................................... |
227 |
Спадкові хвороби .................................................................................... |
229 |
Генетика онкологічних захворювань....................................................... |
239 |
Генетичні аспекти еволюції людини........................................................ |
242 |
Розділ 8. Генетика популяцій.................................................................. |
247 |
Властивості популяції .............................................................................. |
248 |
Чисельність .......................................................................................... |
248 |
Мінливість............................................................................................ |
251 |
Структурованість................................................................................. |
252 |
Системи схрещувань............................................................................ |
252 |
5
Генетична структура популяції. Закон Харді – Вайнберга...................... |
253 |
Фактори динаміки генетичної структури популяцій .............................. |
257 |
Дрейф генів ......................................................................................... |
257 |
Інбридинг............................................................................................. |
260 |
Мутації ................................................................................................. |
262 |
Міграції ................................................................................................ |
263 |
Добір .................................................................................................... |
264 |
Еволюційні процеси................................................................................. |
268 |
Розділ 9. Генетична інженерія і методи молекулярної генетики......... |
271 |
Методи генної інженерії .......................................................................... |
271 |
Основні ферменти генної інженерії..................................................... |
271 |
Клонування ДНК .................................................................................. |
274 |
Геномні бібліотеки................................................................................ |
277 |
Полімеразна ланцюгова реакція .......................................................... |
280 |
Аналіз структури й експресії генів і геномів........................................... |
281 |
Експресія рекомбінантних білків ............................................................ |
285 |
Генетична інженерія мікробіологічних систем ........................................ |
287 |
Генетична інженерія рослин.................................................................... |
289 |
Генетична інженерія тварин ................................................................... |
293 |
Генна терапія........................................................................................... |
296 |
Ключові етапи розвитку генетики ......................................................... |
301 |
Рекомендована література....................................................................... |
305 |
Основна ................................................................................................... |
305 |
Додаткова................................................................................................ |
306 |
Предметний покажчик............................................................................. |
309 |
6
ВСТУП
Основним об'єктом генетики є гени (від γένος – рід, походження) – їхня структурно-функціональна організація, закономірності їхнього збереження, зміни та передачі нащадкам, а також принципи реалізації записаної в генах спадкової програми та взаємодій між генами
вєдиній складній системі апарату спадковості. У загальному визначенні ген – це окремий елемент спадкової програми. Навести детальніше визначення, тим більше на початку підручника, яке б у кількох реченнях описувало головні властивості гена, практично неможливо. Сучасним уявленням про гени присвячена вся книга.
Матеріальною основою гена є молекула дезоксирибонуклеїнової кислоти – ДНК. Принципи структурної організації ДНК, процес її подвоєння у двох ідентичних копіях, а також механізми збереження спадкової інформації, які протидіють зовнішнім пошкоджуючим впливам і помилкам подвоєння, розглядаються в розділі 1. У цьому ж розділі описано загальні принципи організації спадкових програм, закодованих у молекулах ДНК, закономірності структурної організації ДНК у клітинах, процеси перетасування спадкової інформації при переміщеннях ділянок ДНК і шляхи передачі спадкового матеріалу дочірнім клітинам при клітинному поділі.
Урозділі 2 описано механізми реалізації спадкової програми під час життя клітини: принципи декодування інформації, яка міститься
вДНК, і регуляції цього процесу. Власне, матеріал перших двох розділів і має дати початкову відповідь на запитання про те, що таке ген.
Розглянуті в перших розділах молекулярні основи спадковості дозволяють сформулювати базові закономірності спадкування зовнішніх ознак. Цьому присвячено розділ 3. У ньому більшість матеріалу базується на досягненнях генетики того періоду, коли генетичну роль ДНК ще не було встановлено, – генетика була в багатьох аспектах формаль-
ною наукою. Ці формальні генетичні закономірності повністю базуються на зрозумілих тепер молекулярних механізмах спадковості, а розроблені у той час методи генетичного аналізу й досі є актуальними.
Суттєвим аспектом існування спадкового матеріалу в живих системах є його мінливість унаслідок пошкоджуючих впливів і помилок у функціонуванні спадкового апарату. Механізми цієї мінливості, яка не тільки призводить до небажаних наслідків, але й постачає матеріал для еволюційного процесу, розглядаються в розділі 4.
Наступні 5 і 6 розділи стосуються особливостей організації та функціонування спадкового апарату в різних груп організмів – прокаріотів, вірусів, однота багатоклітинних еукаріотів.
Розділ 7 присвячено генетиці людини, яка посідає особливе місце серед інших розділів генетики окремих видів.
У розділі 8 викладено закономірності переміщення генетичного матеріалу в межах популяцій – великих груп організмів одного виду, що схрещуються між собою. Генетика популяцій є однією з головних основ для розуміння механізмів еволюції, оскільки саме популяція являє собою найдрібнішу еволюційну одиницю.
Найновітнішому прикладному аспекту генетики – огляду підходів, які можна об'єднати під назвою генетична інженерія, – присвячено останній 9 розділ. Генетична інженерія, спрямована на зміну генетичних програм організмів, водночас є основною групою методів дослідження в молекулярній генетиці.
Наприкінці підручника вміщено історичну довідку, в якій відображено головні етапи розвитку генетики. Крім того, наведено перелік літератури, рекомендованої для глибшого вивчення сучасних проблем цієї науки.
8
РОЗДІЛ 1
Природа генетичного матеріалу
Як фізичний об'єкт ген – це ділянка полімерної молекули дезокси-
рибонуклеїнової кислоти (ДНК). Єдиним винятком із цього загального для всіх живих організмів правила є особливий клас вірусів, де роль носія інформації виконує інша нуклеїнова кислота (хімічний аналог ДНК) – рибонуклеїнова кислота (РНК). Численні типи РНК беруть також участь у процесах реалізації генетичної інформації в усіх організмах.
Фізико-хімічні властивості молекули ДНК роблять її надійним носієм спадкової інформації та забезпечують простий механізм реплікації – точного відновлення молекули (а отже, і спадкової програми) у дочірніх клітинах при клітинному поділі. Численні взаємодії, в які вступає ДНК з іншими молекулами (насамперед білками), зумовлюють певну схему упаковки ДНК у клітинах, експресію генетичної інформації та регуляцію цього процесу, а також здійснення інших операцій, суттєвих для функціонування спадкового апарату.
СТРУКТУРА ДНК
Хімічна будова нуклеїнових кислот
Мономерна одиниця нуклеїнової кислоти – нуклеотид – складається з трьох елементів: азотиста основа, пентозний цукор (рибоза або дезоксирибоза), залишок фосфорної кислоти (рис. 1.1).
Генетика
Фосфатний |
|
|
|
|
|
NH2 |
|||||
залишок |
|
|
|
|
N |
||||||
|
|
OH |
|
|
|
|
N |
||||
|
|
|
|
|
HC |
||||||
|
|
|
|
|
|
С5' |
N CH |
||||
|
|
|
|
|
|
|
N |
||||
O |
|
P |
|
O CH2 |
|
||||||
|
|
||||||||||
– |
|
|
|
|
|
|
O |
Азотиста |
|||
O |
|
|
|||||||||
|
|
С4' |
|
основа |
|||||||
|
|
|
|
|
|
H |
H С1' |
||||
Рибоза |
H |
|
|
|
H |
|
|||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
С3' |
|
С2' |
|
||||||
(дезоксирибоза) |
OH |
OH(H) |
|
||||||||
Рис. 1.1. Хімічна будова нуклеотиду. Наведено стандартну нумерацію атомів пентозного кільця
Пурини (R) |
|
|
|
NH2 |
|
|
|
O |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
N1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
8 |
|
N |
5 |
|
|
HC |
N |
|
|
|
NH |
|||
|
|
|
HC |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
9 N |
4 |
N |
|
CH |
N |
|
N |
|
NH2 |
||||
|
|
|
|
|
H |
|
|
3 |
|
|
H |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Піримідини (Y) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
NH2 |
|||
5 |
4 |
3 |
|
H3C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
NH |
|
HC |
|
N |
||||||
HC |
|
|
NH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
6 |
|
|
2 |
|
|
|
HC N |
|
|
HC N |
|
|
|||||
HC |
N |
1 |
|
O |
|
O |
|
|
O |
||||||||
|
H |
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
H |
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
C |
|
|
Рис. 1.2. Азотисті основи. Червоним позначено атом N, з'єднаний у нуклеотиді з С1' атомом пентози. Наведено стандартну нумерацію атомів кілець пуринів і піримидинів
Азотисті основи – гетероциклічні сполуки (рис. 1.2), у кільцях яких містяться карбон і азот, а всі зв'язки мають характер частково подвійних. До певних атомів кільця приєднані екзоциклічні групи – аміногрупа чи атом оксигену. До складу нуклеїнових кислот входять два типи азотистих основ: пурини (загальноприйняте позначення R) – аденін (A)
10