ГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ
КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ
ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА
Глава 3. Закономерности изменчивости. Хромосомная теория наследственности.
Комбинативная и мутационная изменчивость
Казань 2013
2
УДК 611:018(075.8) ББК 28.05+28.06
Печатается по решению Центрального координационно-методичес- кого совета Казанского государственного медицинского университета.
Авторы:
Исламов Р.Р., Кошпаева Е.С., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В., Иллариошкин С.Н.
Под общей редакцией проф. Исламова Р.Р.
Рецензенты:
Заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии КГМУ проф. Челышев Ю.А.
Заведующая кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова проф. Глинкина В.В.
Общая генетика. Глава 3. Закономерности изменчивости. Хромосомная теория наследственности. Комбинативная и мутационная изменчивость. Учебно-методическое пособие/ Исламов Р.Р., Кошпаева Е.С., Колочкова Е.В., Бойчук Н.В., Иллариошкин С.Н. — Казань: КГМУ, 2013
— 39 с.
Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования (ФГОС-3) и типовой Учебной программой по дисциплине «Биология». В 3 главе «Закономерности изменчивости. Хромосомная теория наследственности. Комбинативная и мутационная изменчивость» Учебно-методического пособия «Общая генетика» изложены цели и задачи изучения данной темы, указаны формируемые компетенции, приведён теоретический обзор, изложенный в лаконичной и рубрицированной форме и имеющий медицинскую направленность. Практические навыки включают усвоение закона на сцепленное наследование, микроскопическое выявление генных мутаций у дрозофилы, решение ситуационных задач по теме. Пособие содержит типовые тестовые вопросы, вопросы самоконтроля и справочник терминов.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов младших курсов медицинских факультетов и медицинских вузов.
© Казанский государственный медицинский университет, 2013
3
Глава 3
ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ИЗМЕНЧИВОСТИ. ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. КОМБИНАТИВНАЯ И МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
Цель занятия:
Сформировать представления о закономерностяхнаследования сцепленных признаков. Изучить закономерности комбинативной изменчивости при кроссинговере. Сформировать представление о мутационной изменчивости, их причинах, роли в эволюции, в онтогенезе человека.
Задачи занятия:
1.Ознакомиться с теоретическим материалом.
2.Научиться решать задачи на сцепленное наследование и кроссинговер.
3.Различать комбинативную и мутационную изменчивость.
4.Получить представление о химерных генах.
Формируемые компетенции:
ОК-1, ПК-9, ПК-31, ПК-32
Студент должен знать:
1.Виды и причины комбинативной и мутационной наследственной изменчивости.
2.Цитологические основы наследования при кроссинговере.
3.Виды и причины геномных, хромосомных и генных мутаций.
4.Генетические основы полового диморфизма.
4
5.Особенности наследования признаков, сцепленных с половыми хромосомами.
6.Механизм образования химерных генов, структуру, роль в канцерогенезе.
Студент должен уметь:
1.Давать цитологическоеобоснование закономерностей наследования, сцепленного с аутосомами.
2.Давать цитологическоеобоснование закономерностей наследования, сцепленного с половыми хромосомами.
3.Определять гаметы организма с генотипом, включающим гены, сцепленные с аутосомами и половыми хромосомами.
4.Находить генотип организма по образующимся у него гаметам, основываясь на аутосомные и сцепленные с полом признаки.
5.Решать задачи на наследование признаков, сцепленных с Х и Y-хро- мосомой.
6.Решать задачи на наследование нескольких признаков, одни из которых сцеплены с полом, а другие обусловлены аутосомными генами.
7.Решать задачи на сцепленное наследование при полном сцеплении генов с учетом кроссинговера.
Студент должен владеть:
1.Медико-функциональным понятийным аппаратом и специальными терминами.
2.Навыками записи и решения генетических задач на сцепленное наследование признаков.
3.Основами диагностики мутационной изменчивости.
4.Инофрмацией о базе данных по наследственным заболеваниям человека
Оснащение занятия:
1.Мультимедийный проектор
2.Таблицы:
•сцепленное наследование
•схема кроссинговера
•виды изменчивости
•мутационная изменчивость
•мутации у дрозофилы
3.Микроскоп световой.
5
4.Микропрепараты. Генные мутации у дрозофилы:
•бескрылая форма
•антеннопедия
Хронологическая карта занятия:
1.Организационная часть.
2.Тестовый контроль базового уровня знаний.
3.Объяснение практического задания.
4.Самостоятельная работа.
5.Проверка выполненных работ в альбомах.
6.Контроль конечного уровня знаний.
7.Установка задания для подготовки к следующей теме.
6
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ. ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
Закон сцепления
Закон Г. Менделя о независимом наследовании признаков справедлив лишь в том случае, если аллели разных генов находятся в разных, не гомологичных друг другу хромосомах. Гены, расположенные в одной хромосоме, будут наследоваться вместе. Совместное наследование
разныхгенов, расположенныхв одной и той же паре гомологичных хромосом, называется сцеплением генов или сцепленным наследовани-
ем (закон Т. Моргана).
Согласно закону Моргана, совокупность генов, расположенных в одной паре гомологичных хромосом, образуют группу сцепления. Ко-
личество групп сцепления равно гаплоидномунабору хромосом. Если гены, находящиеся в одной хромосоме, передаются вместе, то сцепление называется полным. Иногда полное сцепление нарушается по причине кроссинговера (неполное сцепление). В результате обмена одинаковыми участками гомологичныххромосом образуются т.н. кроссоверные гаметы. Причем частота кроссинговера и, следовательно, частота образования кроссоверных гамет зависят от расстояния, на котором аллели данных генов находятся друг от друга в хромосоме. Чем больше расстояние между генами, тем выше частота кроссинговера и частота образования кроссоверных гамет. Кроссоверных гамет образуется намного меньше, чем некроссоверных.
Генетические карты хромосом
Кроссинговер позволяет построить генетическую картухромосомы. Генетическая карта содержит информацию о порядке расположения генов в этой хромосоме и расстоянии между ними. Возможность подобного картирования основана на постоянстве процента кроссинговера между определенными генами.
Информация, которая содержится в генетических картах хромосом, имеет большое значение в исследовательской деятельности. Например, с помощью генно-инженерных методов возможно создание штаммов микроорганизмов, способных синтезировать необходимые для фармакологии и сельского хозяйства белки, гормоны, ферменты. Знания о локализации гена в определённой хромосоме имеет важное значение в
7
медицине при диагностике наследственных заболеваний человека, для разработки стратегии генной терапии (коррекции функции генов). Сравнение генетических карт разных видов живых организмов способствует также пониманию эволюционного процесса.
Основные положения хромосомной теории наследственности
Основы хромосомной теории заложили работы немецкого биолога Т. Бовери (1902–1907) и американского цитологаУ. Сеттона (1902–1903), которые независимо друг от друга предположили, что гены расположены в хромосомах, и связали законы наследственности Менделя с расхождением хромосом при мейозе. Детальная разработка хромосомной теории выполнена Т.Х. Морганом и его учениками (1910 г.). Анализ явлений сцепленного наследования и кроссинговера позволили Т. Морганусформулировать основные положенияхромосомной теории наследственности (1911 г.):
1.Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.
2.Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.
3.Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.
4.Гены одной хромосомы образуют группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом у гомогаметных особей и n+1 у гетерогаметных особей. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.
5.Между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками (кроссинговер); в результате кроссинговера возникают гаметы, хромосомы которых содержат новые комбинации генов.
6.Частота кроссинговера между гомологичными хромосомами зависит от расстояния между генами, локализованными в одной хромосоме. Чем это расстояние больше, тем выше частота кроссинговера. Единица измерения расстояния на генной карте выражается в морганидах (1 М = 100 сМ). 1 сМ соответствует расстоянию между генами, рекомбинациямеждукоторыми происходит с частотой 1% (процент появления кроссоверных особей).
7.Для выяснения характера расположения генов в хромосомах и определения частоты кроссинговера между ними строят генетические карты. Карта отражает порядок расположения генов в хромосоме и расстояние между генами одной хромосомы.
8.Каждый биологический вид характеризуется определённым набором хромосом — кариотипом.
8
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЧИВОСТИ. КОМБИНАТИВНАЯ И МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
Изменчивость — это способность организмов приобретать новые признаки. На основе изменчивости организмов появляется генетическое разнообразие форм, которые в результате действия естественного отбора преобразуются в новые подвиды и виды. Различают изменчивость генотипическую и фенотипическую. Различают две формы наследственной изменчивости — комбинативную и мутационную.
Комбинативная наследственная изменчивость
Новые комбинации генов возникают:
1)в результате обмена гомологичными участками гомологичных хромосом при кроссинговере, во время профазы первого деления мейоза;
2)во время независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе первого деления мейоза;
3)во время независимого расхождения дочерних хроматид в анафазе второго деления мейоза;
4)при слиянии мужской и женской половых клеток. Объединение в зиготе двух гаплоидных наборов хромосом с рекомбинированными генами может привести к появлению новых признаков.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости
Закон Н.И. Вавилова (1920 г.) об изменчивости близких по происхождению родов и видов растений свидетельствует, что генетически близкие роды и виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Например умногих злаков (рис, пшеница, овёс, просо) сходно варьируют окраска и консистенция зерна, холодостойкость и др. признаки. Следовательно, зная характер наследственных изменений у одних сортов, можно предвидеть сходные изменения у родственных видов. Возможность предсказать существование в природе не известных ранее форм с ценными для селекции признаками сравнивают с открытием новых химических элементов, основываясь на периодической системе Д.И. Менделеева.
Гомологическая изменчивость установлена и для человека. Наследственные дефекты и врождённые пороки, присущие человеку, выявлены у животных. Таких животных используют в качестве модели для изучения аналогичных дефектов у человека. Например, врождённая катаракта (помутнение хрусталика) встречается у мыши, крысы, собаки,
9
лошади; гемофилия (нарушение свёртываемости крови) — у мыши и кошки; врожденная глухота — у морской свинки, мыши, собаки; заячья губа — у мыши, собаки, свиньи и т. д. Эти наследственные дефекты — убедительное подтверждение закона гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова.
Мутационная изменчивость
Мутационная изменчивость связана с изменением генотипа и обусловлена возникновением мутаций. Мутациями называются скачкообразные и устойчивые изменения генетического материала, влекущие за собой изменения наследственных признаков. Термин “мутация” был впервые введён Гуго де Фризом. Мутации обязательно вызывают изменения генотипа, которые наследуются потомством и несвязаны со скрещиванием и рекомбинацией генов.
Мутации в репродуктивной функции человека имеют жизненно важные последствия как в онтогенезе, так и филогенезе. Смерть оплодотворённой яйцеклетки наблюдается примерно в 50% по причине генных, хромосомных или геномных мутаций. В случае развития жизнеспособной зиготы фенотипически мутации могут проявиться как в пренатальном, так и постнатальном периодах развития. В процентном отношении внутриутробно выявляется 25% врождённых пороков, до пубертатного периода — 45%, в период полового созревания — 20% и 10% моногенных заболеваний диагностируются после 20 лет. Число новорождённых с врождёнными пороками составляет 2–3% от общего количества родившихся живыми детей. Клинически у больных обнаруживаются диспластические признаки и синдромы, нарушенный обмен веществ или сочетанные признаки.
Мутации можно классифицировать по характеру проявления, по месту или по уровню их возникновения.
•По характеру проявления они бывают доминантными и рецессивными.
•Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными, а несовместимые с жизнью — летальными.
•По месту возникновения существуют генеративные и соматические мутации. Генеративная мутация возникает в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, но проявляется в следующем поколении. Соматическая мутация возникает в соматических клетках и проявляется у данного организма, не передаётся потомствупри половом размножении. Но при бесполом размножении, если
10
организм развивается из клетки или группы клеток, имеющих изменившийся (мутировавший) ген, мутации могут передаваться потомству.
•По уровню возникновения различают генные, хромосомные и геномные мутации.
Генные мутации
Генные точечные мутации характеризуются искажением порядка следования нуклеотидов в составе гена-мишени, что, в свою очередь, может выразиться прекращением трансляции белковой молекулы, синтезом мутантного белка с нарушенной функцией или токсическими свойствами, недостаточным или избыточным синтезом белка.
Мутации со сдвигом рамки считывания возникают в результате делеции, инсерции, дупликации нуклеотидов в количестве, не кратном трём. В результате такой мутации происходит сдвиг рамки считывания
входе синтеза мРНК.
•Делеция— утрата одного, нескольких нуклеотидов или целого гена.
Миопатии Дюшенна и Беккера развиваются при полной или частичной делеции гена дистрофина Xp21.2. соответственно. При частичной делеции гена синтез дистрофина снижен, либо продуцируется мутантная форма белка.
•Инсерция — вставка одного, нескольких нуклеотидов или целого гена.
Болезнь Лиддла. Одна из форм заболевания обусловлена мутацией гена β-СЕ натриевого канала эпителия (ENaC). В результате вставки цитозина в последнем экзоне гена происходит сдвиг рамки считывания, при этом в белке отсутствуют последние 34 АК.
•Дупликация — повторное дублирование (или умножение) участка ДНК размером от одного до нескольких нуклеотидов или целого гена.
Семейная Х-сцепленная кардиомиопатия. Мутация гена дистрофина, обусловленная дупликацией экзонов 2–7, кодирующих актин-свя- зывающий домен, вызывает дефицит белка и, как следствие, нарушение организации дистрофин-дистрогликанового комплекса.
•Инверсия — встраивание от двух до нескольких нуклеотидов на прежнее место ДНК после поворота на 180 °. В результате нарушается порядок расположения нуклеотидов в гене.
Гемофилия А. Инверсия гена фактора VIII (FVIIIС, Xq) встречается в 50 % мутаций FVIIIС, вызывающих заболевание. Инверсия вызвана гомологичной рекомбинацией между геном А, расположенным в интроне 22 гена FVIIIC, и одной из теломерных копий этого гена, располо-