Модификационное взаимодействие.

Гены модификаторы не имеют собственного проявления в фенотипе, но усиливают или ослабляют проявление других генов в генотипе.

Варьирование структурного гена по генам модификаторам обеспечивает проявление или непроявление признаков у организмов сходных по таким структурным генам. Это явление пенетрантности. Она вырвжается долей особей, у которых проявляется исследуемый признак среди особей одинакового генотипа, по контролируемому этот признак гену.Пенетрантность определяет частоту соответствия фенотипа определенному генотипу.

В медицинской генетике если у всех носителей патологичного гена наблюдается его клиническое (фенотипическое) проявление, то можно говорить о 100%-ой пенетрантности (ген Хорея Гентингтонна). Если действие мутантного гена проявляется не у всех его носителей – неполная пенетрантность. В этом случае носитель патологичного гена может быть клинически здоров, а в родословной наблюдается пропускание поколения.

Показатель зависимости отдельного гена от всего генотипа – экспрессивность гена – степень выраженности одного и того же признака у организмов, имеющих ген, контролирующий этот признак. Говорить об экспрессивности гена, вызывающего наследственные заболевания = говорить о тяжести заболевания.

5.Основные положения хромосомной теории наследственности Т.Моргана.

Наряду с признаками, наследуемыми независимо, обнаружены признаки, которые наследуются сцепленно, то есть вместе.

Поскольку число генов у каждой особи намного больше числа хромо­сом, в одной хромосоме располагается множество генов. Т.Морган и его уче­ники обнаружили, что гены, локализо­ванные в одной хромосоме, наследуются совместно, то есть сцеплено. Группы генов, расположенные в одной хромосоме, называются группами сцепления. Число групп сцепления равно числу хромосом в гаплоидном на­боре.

Т.Морган ставил опыт на дрозофиле. Ген серого цвета В доминирует над геном черного цвета тела b, ген нормальной длины крыльев V над геном коротких крыльев v. Гены В и V располагаются в одной хромосоме. После скрещивания серых мух с нормальными крыльями и черных мух с короткими крыльями получились гибриды первого поколения FI : все они были серыми с нормальными крыльями (BbVv). При скрещивании самца-гибрида первого поколения с черной самкой с зачаточными крыльями (bbw) рождаются особи двух типов: серые с нормальными крыльями и черные с зачаточными крыльями в отношении 1 : 1. Полученные результаты нельзя объяснить независимым наследованием признаков. Развитие анализи­руемых признаков контролируется разными генами, расположенными в од­ной и той же хромосоме.

Скрещивание самки гибрида первого поколения с черным самцом с короткими крыльями (bbvv) дало четыре варианта особей. У них обнаруживаются сочетания признаков, которые имеют место и при независимом наследовании (то есть имеет место нарушение сцепления), но в ином количественном соотношении Результат скрещивания указывает на частичное сцепление наследуемых признаков, а нарушение сцепления объясняется процессом кроссинговера в профазе I мейоза. Сравнивая результаты второго скрещивания (гибрид первого поколения представлен самкой) и первого скрещивания (гибрид первого поколения представлен самцом), обнаруживается возможность полного и неполного сцепления. Тип сцепления зависит в данном случае от особенностей биологии дрозофилы: у самцов в гаметогенезе кроссинговер отсутствует, поэтому сцепление полное, нарушений сцепле­ния нет; у самок кроссинговер имеет место, поэтому сцепление неполное, имеется нарушение сцепления.

Закон сцепленного наследования получил название закона Моргана:

гены, локализованные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются преимущественно вместе; сила сцепления пропорциональна расстоянию между генами. Чем больше расстояние между генами, тем меньше сила их сцепления и тем чаще эти гены обмениваются при кроссинговере в строгом смысле группой сцепления называют группу генов, проявляющих сцепленное наследование. Такое наследование отражает локализацию генов одной хромосоме, поэтому обычно под группой сцепления понимают группу генов, расположенных в одной хромосоме. В то же время, гены, расположенные в одной хромосоме, не всегда обнаруживают сцепление. Генетическое расстояние, на котором кроссинговер происходит с вероятностью в 1 %. называют сантиморгапом (сМ).

Таким образом, связанный с мейозом кроссинговер приводит к взаимному обмену частями гомологичных хромосом. Для двух данных пар генов можно экспериментально определить характерную частоту обменов, которая в отдельных опытах колеблется около постоянной средней величины. Эта частота рекомбинации (ЧР) экспериментально определяется по процент­ному отношению гамет к общему изученному их числу.

Если сравнивать ЧР между тремя или более генами одной группы сцепления, то выявляется следующая закономерность: пусть между геном ] геном 2 ЧР = а, между геном 2 и геном 3 ЧР == Ь; тогда между геном 1 и гено_м 3 ЧР = а + Ь или а - Ь.

Если расстояния между генами, полученные таким образом, нанести на прямую, то можно создать схему локусов. Это впервые было сделано Стертевантом и привело к созданию теории линейного расположения генов в хромосомах.

Между любыми двумя сцепленными генами возможен не только оди­ночный, но и двойной кроссинговер, что приводит к сокращению регистри­руемой частоты кроссинговера. Между обменами на соседних участках хромосом имеется взаимовлияние, которое называется интерференцией

6.Сцепление и кроссинговер. Цитологические доказательства кроссинговера. Митотический кроссинговер.

Сцепление и кроссинговер. Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют групп; сцепления и наследуются, как правило, вместе.Число групп сцепления у диплоидных организмов равно гаплоидному набору хромосом. У женщин — 23 группы сцепления, у мужчин — 24.Сцепление генов, расположенных в одной хромосоме, может быть полным и неполным. Полное сцепление генов, т. е. совместное наследование, возможно при отсутствии процесса кроссинговера. Это характерно для генов половых хромосом, гетерогаметных по половым хромосомам организмов (ХУ, ХО), а также л для генов, расположенных рядом с центромерой хромосомы, где кроссинговер практически никогда не происходит.В большинстве случаев гены, локализованные в одной хромосоме, сцеплены не полностью, и в профазе I мейоза происходит обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами. В результате кроссинговера аллельные гены, бывшие в составе групп сцепления у родительских особей, разделяются и формируют новые сочетания, попадающие в гаметы. Происходит рекомбинация генов.Гаметы и зиготы, содержащие рекомбинации сцепленных генов, называют кроссоверными. Зная число кроссоверных гамет и общее количество гамет данной особи, можно вычислить частоту кроссинговера в процентах по формуле: отношение числа кроссоверных гамет (особей) к общему числу гамет (особей) умножить на 100%.По проценту кроссинговера между двумя генами можно определить расстояние между ними. За единицу расстояния между генами — морганиду — условно принят 1% кроссинговера.Частота кроссинговера говорит и о силе сцепления между генами. Сила сцепления между двумя генами равна разности между 100% и процентом кроссинговера между этими генами. Прямые цитологические свидетельства обмена частей хромосом во время кроссинговера были получены в начале 30-х годов у дрозофилы и кукурузы. Рассмотрим опыт Штерна, проведенный на D. melanogaster. Обычно две гомологичные хромосомы морфологически неразличимы. Штерн исследовал Х-хромосомы, которые имели морфологические различия и, следовательно, были гомологичны не полностью. Однако гомология между этими хромосомами сохранялась на большей части их длины, что позволяло им нормально спариваться и сегрегировать в мейозе (то есть нормально распределяться по дочерним клеткам). Одна из Х-хромосом самки в результате транслокации, т. е. перемещения фрагмента Y-хромосомы, приобрела Г-образную форму. Вторая Х-хромосома была короче нормальной, так как часть ее была перенесена на IV хромосому. Были получены самки, гетерозиготные по указанным двум, морфологически различным, Х-хромосомам, а также гетерозиготные по двум генам, локализованным в Х-хромосоме: Bar (В) и carnation (cr). Ген Bar – это полудоминантный ген, влияющий на количество фасеток и, следовательно, форму глаза (мутанты с аллелем В имеют полосковидные глаза). Ген cr контролирует окраску глаз (аллель cr+ обусловливает нормальную окраску глаз, а аллель cr – окраску глаз цвета красной гвоздики). Г-образная Х-хромосома несла аллели дикого типа В+ и cr+, укороченная хромосома – мутантные аллели В и cr. Самки указанного генотипа скрещивались с самцами, имевшими морфологически нормальную Х-хромосому с аллелями cr и В+. В потомстве самок было два класса мух с некроссоверными хромосомами (crB / crB+ и cr+B+ / crB+) и два класса мух, фенотип которых соответствовал кроссоверам (crB+ / crB+ и cr+B / crB+). Цитологическое исследование показало, что у кроссоверных особей произошел обмен участками Х-хромосом, и, соответственно, изменилась их форма. Все четыре класса самок имели по одной нормальной, т. е. палочковидной, хромосоме, полученной от отца. Кроссоверные самки содержали в своем кариотипе преобразованные в результате кроссинговера Х-хромосомы – длинную палочковидную или двуплечую с короткими плечами. Эти опыты, так же как и одновременно полученные аналогичные результаты на кукурузе, подтвердили гипотезу Моргана и его сотрудников о том, что кроссинговер представляет собой обмен участками гомологичных хромосом и что гены действительно локализованы в хромосомах. соматических клетках иногда происходят обмены между хроматидами гомологичных хромосом, в результате которых наблюдается комбинативная изменчивость, подобная той, которая регулярно генерируется мейозом. Нередко, особенно у дрозофилы и низших эукариот, гомологичные хромосомы синаптируют в митозе. Одна из аутосомно-рецессивных мутаций человека, в гомозиготном состоянии приводящая к тяжелому заболеванию, известному под названием синдром Блюма, сопровождается цитологической картиной, напоминающей синапсис гомоло­гов и даже образование хиазм. Доказательство митотического кроссинговера было получено на дрозофиле при анализе изменчивости признаков, определяемых генами у (yellow – желтое тело) и sn (singed – опаленные щетинки), которые находятся в Х-хромосоме. Самка с генотипом ysn+ / y+sn гетерозиготна по генам у и sn, и поэтому в отсутствие митотического кроссинговера ее фенотип будет нормальным. Однако если кроссинговер произошел на стадии четырех хроматид между хроматидами разных гомологов (но не между сестринскими хроматидами), причем место обмена находится между геном sn и центромерой, то образуются клетки с генотипами y sn+ / y+ sn+ и y+sn/y+n. В этом случае на сером теле мухи с нормальными щетинками появятся близнецовые мозаичные пятна, одно из которых будет желтого цвета с нормальными щетинками, а другое – серого цвета с опаленными щетинками. Для этого необходимо, чтобы после кроссинговера обе хромосомы (бывшие хроматиды каждого из гомологов) y+ sn отошли к одному полюсу клетки, а хромосомы y sn+ – к другому. Потомки дочерних клеток, размножившись на стадии куколки, и приведут к появлению мозаичных пятен. Таким образом, мозаичные пятна образуются тогда, когда рядом расположены две группы (точнее, два клона) клеток, фенотипически отличающиеся друг от друга и от клеток остальных тканей данной особи.

7.Генная инженерия. Основные этапы создания трансгенных организмов. Понятие о векторе: типы векторов, их конструктирование и способы переноса в клетки различных организмов.

Генетическая инженерия – совокупность методов создания живых генетически измененных организмов, включающих чужеродный генетический материал.(клеточная, хромосомная, генная) Часто ее отождествляют с генной инженерией (ГИ) – создание генетических измененных организмов в результате целенаправленного переноса в них чужеродных генов, кодирующих нужные человеку признаки и свойства. В основе ГИ лежит способность рестриктаз бактерии расщеплять ДНК. Дата рождения ГИ 1972 г. Группа Берга получила первую рекомбинантную ДНК вкл: часть генома умеренного бактериофага λ, гены лактозного оперона кишечной палочки, полный геном онкогенного вуруса обезьян SV40. Технология переноса трасгенных – чужеродных генов и их передача в ряду поколений называется трансгенезом. Направленный перенос может осуществлятся м/у далекими филогенетическими группами. Организмы получившие в их геном чужеродные гены – трансгенные или генетически модифицированные. Процесс когда чужеродная ДНК проникает в реципиентную к-ку и вызывает у нее наследуемые изменения – трансформация. У бактерий трансформация может осуществлятся с помощью растворимых фрагментов ДНК, а у эукариот только векторы. Этапы:

1. Получение нужного гена. Из естественных источников или геномной библиотеке. Синтезирован искусственно: химическим путем или ферментативным по принципу обратной транскрипции. Или с помощью полимеразной цепной реакции.

• Создание вектора. Вектор – молекулы ДНК, способные переносить включенные в них чужеродные гены в к-ку, где эти молекулы реплицируются автономно или после интеграции с геномом. Свойства вектора:

• Способность к автономной репликации в к-ке. (для бактерй должен содержать сайт ori – участок инициации репликации)

• Наличие сайта в котором возможно встраивание желаемого фрагмента. Для этого должен содержать участки, чувствительные к определенной рестриктазе, которая расщепляет вектор и позволяет встроить трансген.

• наличие маркерных генов (селективные гены – устойчивость к чему то, репортерные – дают продукт удобный для тестирования).

• Для экспрессии нужно поместить под соответствующей промотор (обычно бактериальный лактозный промотор кишечной палочки)

В качестве векторов используют плазмиды – внехромосомные гененетические элементы про- и эукариот, которые автономно реплицируются в клетке, ДНК бактериофагов, искусственные векторы – космиды.

2. Трансформация.

3. Молекулярная селекция – отбор клонов, несущих рекДНК. Использование маркерных генов, находящиеся в векторной молекуле.

4. Выращивание измененных клеток в целые трансгенные организмы.

Схема опыта по ГИ. Дорисовать.

1 и 2 Для конструирования рекДНК векторную и чужеродную ДНК, содержащую нужный ген разрезают рестриктазой (одной и той же). Образуются одинаковые «липкие» концы.

3. Смешивание различных по происхождению фрагментов ДНК и сшивание ДНК-лигазой. Липкие концы чужеродной ДНК и плазмиды взаимодействуют др с др, образуя комплементарные пары оснований. Происходит гибридизация векторной и чужеродной ДНК. Липкие концы замыкаются с помощью водородных связей, а ковалентные сшиваются ДНК-лигазой.

4. Генетическая трансформация, перенос и включение рекДНК, содержащей трансген, в клетки реципиенте. Плазмида, встроенная в бактерию, ведет себя как вектор (переносчик) нового гена, который реплицируется в каждом новом поколении

5. Молекулярная селекция – отбор трансформантов, клонов несущих рекДНК. Образуются 3 типа клеток: не содержащие плазмиду, содержащие плазмиду без встройки (без рекДНК), содержащие плазмиду с рекДНК. Для отбора используются маркерные гены.

Значение ГИ: медицина (инсулин), устойчивость к насекомым, повышение урожайности, увеличение сроков хранения, биореакторы.

8.Понятие об экспрессивности и пенетрантности.

Термины «пенетрантность» и «экспрессивность» были предложены Тимофеевым-Ресовским в 1927г.

Экспрессивностью - степень выраженности определенного признака. В отличие от пенетрантности, которая указывает, у какой доли особей в популяции проявляется данный признак, экспрессивность относится к изменчивости признака у тех особей, у которых он проявляется. Внеш­няя среда и гены-модификаторы могут изменить экспрессию гена, т. е. выражение признака. Это частое явление. У потомства дрозофилы — мутантных «безглазых» мух с сильно редуцированным количеством фасеток — содержание их варьирует от почти полного отсутствия до половины нормы. Экспрессивность (англ. expressivity) — степень фенотипического проявления гена, как мера силы его действия, определяемая по степени развития признака. Экспрессивность у обоих полов может быть одинаковой или различной, постоянной или варьирующей, если выраженность признака при одинаковом генотипе колеблется от особи к особи. При отсутствии изменчивости признака, контролируемого данным аллелем, говорят о постоянной экспрессивности (однозначная норма реакции). Например, аллели групп крови ABO у человека практически имеют постоянную экспрессивность. Другой вид экспрессивности — изменчивая или вариабельная. В основе лежат различные причины: влияние условий внешней среды (модификации), генотипической среды (при взаимодействии генов). Степень экспрессивности оценивается количественно с помощью статистических показателей. В случаях крайних вариантов изменения экспрессивности (полное отсутствие признака) используют дополнительную характеристику — пенетрантность. Хорея Гентингтона может служить примером неполной пенетрантности и варьирующей экспрессивности проявления доминантного гена. Возраст первого появления хореи Гентингтона разнообразен. Известно, что у некоторых носителей она так и не проявится (неполная пенетрантность), кроме того, этот ген имеет варьирующую экспрессивность, так как носители заболевают в различном возрасте. Так, у собак экспрессивность развития прибылых пальцев варьирует от полностью развитых пальцев на обеих задних конечностях до наличия их в зачаточном состоянии только на одной конечности. Подобная вариация экспрессивности характерна и для других наследуемых признаков, в частности и для мышиных хвостов.

Пенетрантность гена — это доля особей, у которых проявля­ется ожидаемый фенотип. При полной пенетрантности (100 %) мутантный ген проявляет свое действие у каждой особи. При неполной пенетрантности (меньше 100 %) ген проявляется фенотипически не у всех особей. Экспрессивность и пенетрант­ность гена в значительной степени зависят, по-видимому, от влияния генов-модификаторов и условий развития особей. Пенетрантность характеризуется частотой или вероятностью проявления аллеля определенного гена и определяется процентом особей популяции, у которых он фенотипически проявился. Различают полную (проявление признака у всех особей) и неполную (у части) пенетрантность. Количественно пенетрантность выражается долей особей в процентах, у которых данный аллель проявляется. Так, например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, это указывает на то, что лишь у 1/4 генотипов, несущих определенный ген, проявляется его фенотипический эффект. В основе неполной пенетрантности лежит взаимодействие генетических и средовых причин. Знание пенетрантности определенных аллелей необходимо в медико-генетическом консультировании для определения возможного генотипа «здоровых» людей, в роду которых встречались наследственные болезни. К случаям неполной пенетрантности можно отнести проявления генов, контролирующих ограниченные полом и зависимые от пола признаки У мышей известна рецессивная мутация изогнутости хвоста, называемая "поросячий хвост". Установлено, что в скрещивании, где оба родителя имели "поросячий хвост" и, следовательно, были гомозиготными по этому признаку, рождались мыши с нормальными хвостами. При разведении таких нормальных по фенотипу мышей "в себе" у них рождались мышата, имеющие изогнутый хвост. Пенетрантность этого признака у их потомков составляла 16,7%, а у потомства родителей, имевших "поросячий хвост", — 24%. Таким образом, этот признак может быть охарактеризован как рецессивный с неполной пенетрантностью. У собак достаточно часто встречаются видоизменения хвостов в виде их укороченности, разнообразных изломов и изгибов. Известно, что наследование этих дефектов носит достаточно сложный характер и не всегда поддается простому генетическому анализу. Учитывая закон гомологических рядов Н.И. Вавилова, можно легко допустить, что аномалии хвостов собак также являются признаком с неполной пенетрантностью. Признаком с неполной пенетрантностью является полидактилия кошек (избыточное количество пальцев). Кошки, несущие этот ген (Pd), проявляют эту аномалию меньше, чем в половине случаев. В достаточно большой популяции и для достаточной частоты гена в ней пенетрантность может быть выражена в процентах. Так, как указывает И. Шустрова (1997), ген белого окраса кошек W оказывается полностью пенетрантным в отношении окраса (100%) и не полностью пенетрантным в отношении сопутствующих белому окрасу голубог-лазости (около 70%) и глухоты (около 40%).

9.Генотип и фенотип. Норма реакции. Генокопии и фенокопии.

Ген – транскрибируемый участок хромосомы, кодирующий функциональный полипептид, либо тРНК или рРНК. Ген – функционально неделимая единица наследственной информации, представляющая собой участок молекулы ДНК (реже РНК у вирусов) с определенной последовательностью нуклеотидов, кодирующих синтез полипептида, тРНК, либо рРНК.

Генотип – совокупность генов отдельного организма (индивидуума), находящихся между собой в различного рода взаимодействиях. Т.е. генотип – это не простая сумма генов, а система взаимодействующих генов. Это генетическая конституция организма (набор всех его аллелей), имеющая фенотипическое проявление.

Фенотип – совокупность внешних и внутренних признаков организма, которые формируются под действием генотипа с окружающей средой. Фенотипическая изменчивость не наследуется. Нормой реакции называется пределы, в которых может изменятся фенотип без изменения генотипа.

Мутации разных генов, приводящие к сходному мутантному фенотипу, называются генокопиями. Они могут иметь место, если развитие какого-либо нормального признака связано с прохождением ряда этапов одного биохимического процесса, каждый из которых контролируется определенным геном. Нарушение любого из этих этапов, обусловленное мутацией соответствующего гена, приводит в итоге к сходному конечному результату – формированию сходного мутантного фенотипа. В отличии от генокопий фенокопии – это модифицированные изменения фенотипа, сходные с проявлением определенной мутации. Агенты, обуславливающие фенокопии, обычно в значительной степени стадиеспецифичны и на разных этапах развития организма могут индуцировать формирование разных фенокопий. Примером генокопий могут служить мутации разных генов, следствием действия которых является клиническое проявление врожденного гипотериоза, конечным результатом которого, в случаи отсутствия лечения, является кретинизм.

Это мутации генов обуславливающие:

- дефект, препятствующий концентрации неорганического йода в щитовидной железе (ЩЖ);

- дефект, приводящий к нарушению синтеза гормонов в ЩЖ (неспособность к дейодированию моно- и дийодтирозина);

- дефект, связанный с нарушениемтранспорта гормонов ЩЖ к периферическим тканям;

- дефект, приводящий к нарушением периферического действия гормонов из-за недостаточности фермента, конвертирующего мало активный тирозин в биологически активный трийодтиронин.

Фенокопией врожденного гипотериоза является эндемический зоб, который развивается из-за отсутствия или недостатка неоргнического йода в воде и продуктах питания. Примером фенокопии является и так называемый «талидомидный синдром» - рождение детей без конечностей в результате приема женщинами во время беременности снотворного талидомина. Это фенокопия мутации ахейронодии, или фокомелии.

10.Генетика пола. Наследование признаков, сцепленных с полом.

Совокупность количественных - число, размер и качественных- форма признаков хромосомного набора соматической клетки наз. кариотипом. Число хромосом в кариотипе большинства организмов четное, т.к. в соматической клетке находятся 2 одинаковые по форме и размеру хромосомы: материнская и отцовская.

Пол у животных определяется при оплодотворении. В женском кариотипе все хромосомы парные. В мужском кариотипе имеются одна крупная равноплечая непарная хромосома, не имеющая гомолога, и маленькая палочковидная хромосома, встречающаяся только в мужском кариотипе.

Таким образом, кариотип человека содержит 22 пары хромосом, одинаковых у мужского и женского организма, и одну пару хромосом, по которой различаются оба пола. Хромосомы, одинаковые у обоих полов, называют аутосомами. Хромосомы, по которым мужской и женский пол отличаются друг друга, называют половыми или гетерохромосомами. Половые хромосомы у женщин одинаковы, их называют Х-хромосомами. У мужчин имеется Х-хромосома и одна Y-хромосома. При созревании половых клеток в результате мейоза гаметы получают гаплоидный набор хромосом. При этом все яйцеклетки имеют по одной Х-хромосоме. Пол, который образует гаметы, одинаковые по половой хромосоме, называют гомогаметным и обозначают XX..

При сперматогенезе получаются гаметы двух сортов: половина несет Х-хромосому, половина — Y-хромосому. Пол, который формирует гаметы, не одинаковые по половой хромосоме, называют гетерогаметным и обозначают как XY. У человека, дрозофилы и ряда других организмов гомогаметен женский пол; у бабочек, пресмыкающихся, птиц — мужской, петуха обозначается как XX, а кариотип курицы — XY.У человека решающую роль в определении пола играет Y-хромосома. Если яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим Х-хромосому, развивается женский организм.

Наследование признаков, гены которых находятся в Х- или У-хромосомах называют наследованием, сцепленным с полом — гемофилия.

Пол – совокупность – морфологических и физиологических особенностей организма, обеспечивающих половое размножение, сущность которого сводится к оплодотворению, т.е. слиянию мужских и женских половых клеток (гамет), в зиготу, из которой развивается новый организм.

Биологами по сей день обсуждаются преимущества и недостатки полового размножения по сравнению с бесполым вариантом, их эволюционная связь. Предполагается, что асексуальные системы менее адаптированы к факторам среды, не способны эффективно элиминировать вредные мутации и относительно короткоживущие. Половое размножение, обеспечивающее рекомбинацию родительских наборов генов, дает больше возможностей для создания адаптивной системы и сосредоточения вредных мутаций в одном геноме, их последующего удаления. Привлекает внимание и огромное разнообразие вариантов полового размножения и соответствующих версий определения пола (классификация не имеет законченного вида).

Различают дифференциацию пола (фенотипический пол) – появление внешних гениталиев (вторичные половые признаки) и первичное определение пола. Под последним понимают появление гонады (репродуктивного органа соматической природы) самки или самца – яичника или тестиса (семенника). Считают, что принципиальная схема этого процесса консервативна. Существует конкретный контролирующий сигнал, включающий некий ключевой ген, активирующий, в свою очередь, детерминанты гонадогенеза и далее факторов дифференцировки половых признаков (указанная система различна у разных животных): контролирующий сигнал ключевой ген, гены, контролирующие гонадогенез (полоопределяющие) гены, контролирующие половую дифференцировку.

Альфред Жост (шестидесятые годы 20 – го столетия) установил два правила определения пола у млекопитающих:

1. «Специализация развивающихся гонад в тестис или яичник определяет последующую половую дифференциалцию эмбриона».

2. «Y – хромосома несет генетическую информацию, требуемую для детерминации пола у самцов».

Принцип Жоста: хромосомный пол, связанный с присутствием или отсутствием игрек – хромосомы, определяет дифференциацию эмбриональной гонады, которая, в свою очередь, контролирует фенотипический пол организма. Подобный механизм определения пола называют генетическим (GSD) и противопоставляют таковому, основанному на контролирующей роли факторов внешней среды (ESD) или соотношению половых хромосом и аутосом (CSD).

Биологической основой генетического определения пола является бисексуальность эмбриональных гонад (прогонад) млекопитающих. В прогонадах одновременно присутствуют Мюллеровы и Вольфовы протоки – зачатки путей соответственно самцов и самок. Первичная детерминация пола начинается с появления в прогонадах специализированных клеточных линий – клеток Сертоли. В последних синтезируется предсказанный А. Жостом фактор MIS, ответственный за прямое или опосредованное ингибирование развития Мюллерова протока – зачатка будущих фаллопиевых труб и матки.

В эксперименте показано, что для нормального функционирования клеток Сертоли необходим XY – кариотип: именно в этих клетках Y – хромосома деконденсирована и может быть транскрипционно активна. С Y – хромосомой сцеплен гипотетический тестисопределяющий фактор (TDF), влияющий на развитие недифференцированной бисексуальной гонады в направлении тестисов и подавления яичников.

Но в настоящее время имеются сведения и об участии других генов в модификации эффекта (TDF). Замечено, что эмбрионы и гонады будущих самцов растут быстрее, и такие отличия выявлены у человека, мышей и крыс еще до появления первых клеток Сертоли и даже гонадного бугорка (клетки прогонады делятся до появления клеток Сертоли).

Контроль за опережающим развитием мужских прогонад и эмбрионов осуществляет особый ген, отличный от TDF (гипотетический ген роста и развития), расположенный, например, в особом участке Y – хромосомы мышей. У человека обнаружен ген WT1, вызывающий некоторые наследственные заболевания, например, Синдром Дэнис – Драма, экспрессирующийся на 9 – й день эмбрионального развития и контролирующий развитие бисексуальной гонады. Ген, локализованный в 17 хромосоме человека, играет рольв аутосомальной инверсии пола. Экспрессия этого гена до 13 дня эмбрионального развития приводит к модификации экспрессии MIS, делает его своеобразным огнаничителем активности MIS в раннем эмбриогенезе. Продукт рецессивного гена Я – отрицательный регулятор развития тестисов: в норме функционирует у самок, а у самцов его активность блокируется.

Y – хромосома и пол. Итак, детерминация пола – сложный много компонентный процесс. Важным оказалось правильное понимание значимости Y – хромосомы. Она резко отличается от других тем, что обеднена генами, обогащенными повторяющимися блоками нуклеотидов (сателлитной ДНК), снабжена областью гомологи с X – хромосомой (псевдоаутосомальная область). Y – хромосома составляет 2 – 3 % от гаплоидного генома, но этого достаточно у человека для кодирующей способности ДНК (до нескольких тысяч генов). Большая часть генов этой хромосомы имеет Х – хромосомные аналоги. Это касается и тех, которые вовлекаются в определение пола. В этой хромосоме велика доля разнообразных повторов и лишь часть последовательностей ДНК уникальна (специфические блоки Y - хромосомы). Значит, Y – хромосома, единственная в геноме млекопитающих, которая не работает непосредственно на реализацию фенотипа. Ее генетическая значимость связана с преемственностью между поколениями, контролем гаметогенеза, первичной детерминацией пола. Жесткий отбор действует только на немногие ее гены, остальная ДНК более пластична.

В свете сказанного очевидно, что первоначально Y – хромосома контролировала «гаметный пол» - гаметогенез и не была связана с первичным определением пола, и только у позвоночных к ней прихрдит эта функция. Ее влияние особенно сильно у млекопитающих. Возможно, природой создана Y – хромосомная система для обеспечения развития эмбрионов обоих полов в «море материнских эстрогенов – женских половых гормонов. Прогонады у этих объектов успевают сделать выбор в пользу тестисов с помощью специального генетического блокирующего механизма еще до воздействия женских гормонов. Усиливается связь гаметного и соматического пола.

11.Способы рекомбинации генетического материала у бактерий:

трансформация, конъюгация и трансдукция.

Вопрос о том, возможна ли рекомбинация у бактерий, т. е обмен генетическим материалом, долгое время оставался открытым. Его решение имело глобальное значение для биологии с точки зрения установления общности генетических закономерностей для всех живых организмов. К 1952 г были установлены три основных механизма рекомбинации у прокариот: конъюгация, трансдукция, трансформация. Возможность полого процесса была продемонстрирована результатами электронно - микроскопических исследований. Тейтум и Ледерберг в своих опытах доказали что при конъюгации осуществляется процесс рекомбинации. Они смешивали 2 ауксотрофных (мутанты, у которых нарушено какое-то звено биосинтеза орг. соединений и они могут жить на среде, в которую добавлено блокирующее соединение) штамма E. Coli, один для роста нуждался в треонине (Т), лейцине (L) и тиамине, а другой – в биотине, фенилаланине и цистеине. Каждый из штаммов по отдельности погибал на минимальной среде, а при посеве их смесью прототрофные к-ки появлялись в культуре с частотой 10^-6 – 10^-9. Присутствие у них всех 6 нормальных аллелей служит доказательством рекомбинации ген. материала, которая объединила часть хромосом одного штамма с частью хромосом др. в результате полового процесса. Контакт м/у клетками (сопровождающийся кросенговером) осуществляется ч/з цитоплазматический мостик. Хейс в 1952 г установил половой фактор F в виде плазмиды. Половой фактор есть только у бактерии мужского пола доноров ген. материала, а женские – реципиентами. F фактор ведет себя двояко: как автономная цитоплазм частица и как локус бактериальной хромосомы. В последнем случае плазмада становится эписомой.(способны к взаимному превращению). Разрыв кольцевой хромосомы бактерии происходит справа и слева от F и свободный от F конец хромосомы становится начальной точкой переноса группы сцепления генов бактерий – это локус о (origin). В к-ку реципиент входит однонитевая ДНК из молекулы донора. Ее переход осуществляется по типу катящегося кольца. В результате в к-ке реципиенте оказываются 2 х-мы, а в к-ке доноре – 1. Гены, вошедшие при конъюгации в к-ку реципиент вкл. в ее хромосому способом аналогичным кроссинговеру. И при деление такой оплодотворенной к-ке появляются рекомбинанты. Таким образом в период конъюгации кольцо хромосомы донора у бактерий разрезается и при норм. протекании полностью в линейной с-ре переходит в к-ку реципиента. Из образовавшейся диплоидной зиготы при ее деление образуется гаплойдноу потомство, вкл. по одной кольцевой х-ме. Часть потомства может быть представлена рекомбинантами, т. к. гены, вошедшие при конъюгации в к-ку реципиент, вкл в ее х-му способом аналогичным кроссинговеру.

Трансформация. Открыто Гриффитсом в 1928 г в опытах с пневмококками. Известно 2 штамма: вирулентные (имеют гладкую капсулу и обр. гладкие колонии) и авирулентные (бескапсульные и имеющие шероховатую колонию). Смешал авирулентный штамм с убитым нагреванием вирулентным и наблюдал гибель зараженных этой смесью мышей. Изучение популяций бактерий из инфицированных мышей показало, что часть к-к из авирулентных превратилась в вирулентные. Эйвери, Мак-Леод и Мак Карти в 1944 г. доказали что трансформирующем агентом является ДНК. На три пробирки со смесью авирулентных и убитых вирулентных штаммов они действовали ДНК-азой, РНК-зой, протеазой. Только при обработке ДНК-зой трансформирующая способность в смеси не наблюдалась. Трансформация – это передача генов от одного штамма бактерий к другому в форме растворенных фрагментов ДНК, которые могут происходить от живых или мертвых к-к. Эти фрагменты могут проникать только в компетентные к-к, т е. имеющие рецепторы на поверхности. Попав внутрь, фрагмент замещает путем рекомбинации короткие участки ДНК рецепторной к-к, которые содержат зоны гомологии. Распад донорской ДНК на фрагменты происходит под действием дезоксирибонулеаз или рестриктаз. Однако в к-к есть система ферментативной модификации определенных оснований ДНК, предохраняющих молекулу ДНК от распада. Поэтому только у мутантов с пониженной активностью ферментативной модификации удается получить трансформанты

Трансдукция. Открыл Зиндер в 1951 г. Трансдукция обусловлена способностью умеренного фага переносить гены от бактерий-доноров к бактериям реципиентам. Известны 2 типа бактериофагов вирулентные и умеренные. Вирулентные после размножения в к-ке приводят к ее лизису. Существуют в вегетативном состоянии (при размножении внутри к-ки) или в зрелом (метаболически инертном состоянии). Умеренные фаги могут быть в состоянии профага. Бактерии несущие профаг назыв. лизогенные. Они приобретают иммунитет к дополнительному заражению таким же фагом. Состояние профага временно. Умеренный фаг может вызвать как литическую так и лизогенную реакцию. Опыт. Высеивал 2 штама тифозной бактерии, один нуждался в пролине, триптофане, а другой в метионине и гистидине. В смешенной культуре наблюдал появление прототрофных колоний. Затем выращивал эти штаммы в U-образной трубке, разделенной бактериальным фильтром. Так же были получены рекомбинанты. Было установлено что перенос генов осуществляется фильтрующимся агентом – умеренным бактериофагом р22, по которому был лизогеннен один из штаммов. Фаг р22 был способен трансдуцировать любые гены сальмонеллы, т.е осуществлять общую или неспецифическую трансдукцию. При специфической трансдукции фаг может переносить только определенные гены.

12.Нехромосомная наследственность. Плазмон и плазмогены. Цитоплазматическая мужская стерильность.

Явление нехромосомной (внехромосомной, внеядерной) наследственности было открыто в 1909 г. немецкими исследователями К. Корренсом и Э. Бауром при изучении наследования пестролистности у растений. В опытах с ночной красавицей (Mirabilis jalapa) К. Корренс обнаружил, что окраска листьев (зеленая или пестрая) зависит от материнского растения (материнская наследственность). Если пестролистное растение (материнское, опыляемое) скрещивалось с зеленым (отцовским, от которого брали пыльцу), то в первом поколение среди потомков присутствовали пестролистные, зеленые и бесцветные (гибнущие на стадии проростка) потомки, причем их количественные соотношения не подчинялись менделевским закономерностям. Если же в качестве материнского использовали растение с зелеными листьями, то потомки первого поколения были зелеными. Позднее явление материнской наследственности было обнаружено у кукурузы, львиного зева, хлопчатника, что свидетельствует об универсальности данного явления. Многими исследованиями было показано, что явление материнской наследственности детерминируется мутациями генетического материала ДНК, локализованной не в ядре, а в других клеточных органеллах (пластидах и митохондриях) или в цитоплазме клеток (плазмиды, вирусы и др.). Наиболее полно изучены две формы нехромосомной наследственности: пластидная и митохондриальная.

Пластидная наследственность - внехромосомный способ наследования пластидных признаков, осуществляемый посредством самих пластид. В зависимости от условий оплодотворения при П. н. пластидные признаки наследуются или только по материнской линии, или от обеих родительских форм (в случае переноса пластид в зиготу и через пыльцевые трубки). О первых фактах П. н. и генетических свойствах пластид сообщили еще на заре развития генетики (1908) немецкие ботаники и генетики Э. Баур и К. Корренс изучившие наследование пестролистности у некоторых растений (герань, ночная красавица, хмель и др.). Отдельные авторы считают, что генетическими информация пластид заключена в их ДНК. Совокупность пластид клетки как структур, способных передавать наследственную информацию, названа пластидомом (О. Реннер, 1934). Из всех структурных элементов цитоплазмы растений, с которыми можно связать передачу некоторых свойств и признаков материнского организма потомству, пластиды наиболее удобны для анализа, т.к. в большинстве случаев они четко различимы в цитоплазме благодаря целому ряду морфологические особенностей. Кроме того, они способны к скачкообразным изменениям — пластидным мутациям, которые впоследствии четко воспроизводятся.

Митохондриальная наследственность

Митохондрии передаются с цитоплазмой яйцеклеток. Спермии не имеют митохондрий, поскольку цитоплазма элиминируется при созревании мужских половых клеток. В каждой яйцеклетке содержится около 25 000 митохондрий. Каждая митохондрия имеет кольцевую хромосому. Описаны мутации различных генов митохондрий. Генные мутации в митохондриальной ДНК обнаружены при атрофии зрительного нерва Лебера, митохондриальных миопатиях, доброкачественной опухоли (онкоцитоме), при прогрессирующих офтальмоплегиях. Для митохондриальной наследственности характерны следующие признаки. Болезнь передаётся только от матери.Больны и девочки, и мальчики. Больные отцы не передают болезни ни дочерям, ни сыновьям.

Плазмоген – общее название генов, расположенных в цитоплазме (вне хромосом). Плазмон (плазмотип) – совокупность плазмогенов.

Один из самых ярких примеров цитоплазматического наследования – явление цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС), обнаруженное у многих растений – кукурузы, лука, свеклы, льна и др. Цитоплазматическая мужская стерильность у кукурузы была открыта в 30-х годах одновременно в СССР М. И. Хаджиновым и в США М. Родсом. Кукуруза – однодомное растение, женские цветки у нее собраны в початок, мужские – в метелку. У неко­торых сортов кукурузы были обнаружены растения, имевшие в метелках недоразвитые пыльники, часто совершенно пустые, а иногда с недоразвитой стерильной пыльцой. Оказалось, что этот признак определяется особенностями цитоплазмы. Опыление рас­тений с мужской стерильностью нормальной пыльцой с других растений в большинстве случаев дает в потомстве растения со стерильной пыльцой. При повторении этого скрещивания в течение ряда поколений признак мужской стерильности не исчеза­ет, передаваясь по материнской линии. Даже тогда, когда все 10 пар хромосом растений со стерильной пыльцой замещаются хромосомами от растений с фертильной пыльцой, мужская сте­рильность сохраняется. Это послужило убедительным доказательством того, что наследование данного признака осуществля­ется через цитоплазму. Цитоплазма, обусловливающая стериль­ность пыльцы, была обозначена символом цитS (стерильная цитоплазма), а цитоплазма растений с фертильной пыльцой – символом цитN (нормальная цитоплазма).

Установлено, что генотип растения может оказывать опреде­ленное влияние на действие стерильной цитоплазмы. Цитоплазма цитS может обусловить стерильность пыльцы только при наличии в генотипе растения рецессивного гена rf в гомозиготном состоянии rfrf. Если же этот ген представлен доминантной аллелью Rf, то растение цитS RfRf или цитS Rfrf имеет нормальную пыльцу. Аллель Rf является, таким образом, восстановителем фертильности пыльцы. Следовательно, фертильную пыльцу могут иметь растения и цumN rfrf, и цитNRf–-, и цитS Rf–, а полностью стерильную – только растения цитS rfrf. Многократное повторение скрещивания ♀ цитS rfrf  × ♂ цитN rfrf всегда дает потомство с полностью стерильной пыльцой. И только в случае скрещива­ния цumS rfrf × цumS RfRf (или цитN RfRf) может быть полу­чено потомство, где все растения будут иметь нормальную пыльцу, несмотря на наличие цитоплазмы цumS. Следует еще раз подчеркнуть, что ген Rf не изменяет структуру и специфичность цитоплазмы цumS, а лишь тормозит проявление ее действия.

Таким образом, взаимодействие ядерных и внеядерных факторов, определяющих ЦМС, можно записать следующим образом:

Генотип ядра и цитоплазмы	Фенотип
цитN Rf – цитS Rf – цumN rfrf	мужская фертильность
цитS rfrf	мужская стерильность

 

Примечание. К сожалению, локализация факторов цитS и цитN  в цитоплазме до сих пор не установлена; можно лишь предположить, что эти факторы закодированы в геноме митохондрий. Однако явление ЦМС широко используется для получения гибридных семян у пасленовых, тыквенных с/х растений, так как для получения F1 не требуется производить трудоемкие операции кастрации и изоляции материнских цветков.

13.Генетическая теория рака. Ретротранспозоны.

Рак – генетическая болезнь. Существует 3 основные компоненты:

1. Наследственная

2. Вирусная

3. Экологическая

Современная теория рака – теория онкогенов.

В 1970 году была открыта обратная транскриптаза – фермент катализирующий синтез ДНК на матрице РНК. Когда вирус попадает в клетку хозяина, обратная транскриптаза (= РНК зависимая ДНК полимераза, = ревертаза) обеспечивает синтез комплементарной ДНК на матрице вирусной РНК, подготавливая её для интеграции в геном клетки инфицированного организма. Ретровирусы содержат 2 копии одноцепочечных молекул РНК генома, т.е. вирусы этого типа являются единственной разновидностью диплоидных вирусов. Впервые такой вирус был описан Раусом в 1911 году, обнаружившим инфекционную саркому у кур. ДНК копии ретровирусного генома встраиваются в ДНК хромосом клеток инфицированного хозяина в виде провируса. В 1970 году были получены данные, что вирус саркомы Рауса содержит гены (онкогены), транскрипция которых вызывает злокачественные перерождения инфицированных клеток.

Первый онкоген из саркомы кур src – ген вируса который может проникать даже без участия вируса, был выделен в 1981 году. Введение его в клетку без вируса вызывало трансформацию клетки. Т.е. вирусы вызывали опухоль не сами по себе, а внося в генетический аппарат онкоген и закрепляя его а геноме. Изменённые свойства опухолевых клеток наследуются т.к. провирус реплицируется вместе с хромосомой клетки хозяина. На ДНК-копии ретровирусов строится РНК-копия, которая в дальнейшем включается в вирион (вирусная частица) или служит промежуточной стадией для перемещения вируса в новую точку локализации. Мигрируя некоторые вирусы могут переносить гены хозяина не только в новое место в геноме, но и в другой организм. Это явление – горизонтальный перенос генов. Побывав в геноме вируса, прежде нормальные гены хозяинапреобретают трансформирующую возможность, т.е. становятся онкогенами. Методами молекулярной биологии было показано, что онкогены имеют сходное строение с нормальными генами человека и животных. Т.о. современная теория рака – теория онкогенов.

Мутагенез и канцерогенез – это сопряженные представления. Кроме ДНК – РНК вирусы способны вызывать раковые опухоли, перемещаясь по гену с помощью обратной транскрипции. В эволюции сформировались механизмы защиты от трансформации злокачественных клеток – гену супрессоры опухоли (P₅₃).

14.Гибридный дисгенез.

Возникновение в гибридном потомстве дрозофил (часто самки из лабораторной линии и самца из природной популяции) множественных генных мутаций и мужской стерильности; Г.д. может быть обусловлен взаимодействием Р-М элементов геномов скрещиваемых особей, а также действием др. мобильных генетических элементов (например, I-фактор обуславливает стерильность самок и т.п.); термин введен М.Кидвелл в 1971.

Мобильные генетические элементы (МГЭ) представляют дискретные сегменты ДНК,

которые могут перемещаться из одного местоположения в другое внутри хромосом

или между ними. На данный момент мобильные генетические элементы обнаружены в геномах практически всех изученных организмов. Геном Drosophila melanogaster содержит около 50-ти различных семейств мобильных

генетических элементов, которые вместе составляют 10-15 % ДНК этого вида.

Некоторые МГЭ дрозофилы способны активироваться в особых межлинейных

скрещиваниях и вызывать совокупность генетических нарушений известных как

синдром гибридного дисгенеза (СГД). Эти нарушения включают повышенную частоту мутаций, хромосомных аберраций и рекомбинаций, температуро-зависимую стерильность.

3 независимые системы гибридного дисгенеза: обуловлены активностью МГЭ I, P и hobo.

P-M система гибридного дисгенеза была открыта в середине 70-х годов. За возникновение отвечает МГЭ P. В соответствии с наличием в геноме P-элементов различают несколько типов линий Drosophila melanogaster. P-линии содержат 30-60 копий P-элемента, 1/3 из которых состоит из полных P-элементов, а 2/3 из дефектных. Эти линии имеют P

-цитотип. В геноме M-линий отсутствуют P-элементы, и они имеют M-цитотип. СГД наблюдается только при скрещивании самок из M-линий (Maternal) с самцами из P-линий (Paternal), однако поскольку P-цитотип наследуется по материнской линии, потомство от обратных скрещиваний между P-самками и M-самцами обычно нормальное. Дополнительно различают также M' и Q линии. M' или псевдо-M линии имеют в геноме множество дефектных P-элементов, однако, характеризуются наличием слабого потенциала репрессии (M-цитотип). Некоторые M'-линии способны индуцировать

определенные аспекты ГД. Q-линии также несут в геноме дефектные элементы и, подобно P-линиям, имеют P-цитотип. Q-линии обладают способностью индуцировать дисгенез в скрещиваниях с истинными M-линиями.

Полноразмерный P-элемент имеет длину 2907 п.н. и характеризуется наличием терминальных инвертированных повторов размером 31 п.н. и субтерминальными инвертированными повторами размером 11 п.н., которые необходимы для его перемещения. Внутренняя часть содержит небольшой инвертированный повтор с неизвестными функциями и ген транспозазы, состоящий из четырех экзонов и трех интронов. Ген транспозазы кодирует белок необходимый для перемещения P-элемента,

поэтому полноразмерный P-элемент сам контролирует свое перемещение, т.е. является автономным. Кроме полноразмерных P-элементов, в геноме различных линий Drosophila melanogaster встречаются дефектные копии. К ним относится KP элемент, который имеет делецию в центральном участке, захватывающую 808-2560 нуклеотиды, элементы A12 и D50. Дефектные P-элементы не способны к синтезу транспозазы, но благодаря сохранности интактных терминальных и субтерминальных последовательностей, они могут перемещаться с использованием транспозазы полноразмерных элементов.

Известно два типа регуляции активности P-элемента: 1й ограничивает активность P-элемента только клетками зародышевой линии, 2й регулирует активность P-элемента в дисгенных скрещиваниях. Ограничение активности P-элемента только клетками зародышевой линии является следствием регулируемого сплайсинга мРНК. В зародышевых клетках сплайсируются три интрона, что ведет к образованию транспозазы. В соматических тканях третий интрон не удаляется и, вследствие присутствия в этом интроне стоп-кодона, образуется усеченный белок, который действует как репрессор.

Тканеспецифичный сплайсинг является следствием действия соматических факторов,

ингибирующих сплайсинг третьего интрона.

Механизм регуляции транспозиций P-элемента в дисгенных скрещиваниях еще

не понят полностью. На непродолжительный срок (несколько поколений) эта

регуляция наследуется по материнской линии, но на более длительный срок

определяется хромосомно, самими P-элементами. Такой тип регуляции в

клетках зародышевой линии именуется P-цитотипом, ее отсутствие обозначается как

M-цитотип. Модель, предложенная для объяснения принципов детерминации и

наследования P-цитотипа, основана на альтернативном сплайсинге пре-мРНК P-элемента на уровне 2-3 интрона. Этот альтернативный сплайсинг определяет продукцию транспозазы или репрессора. Сплайсинг зависит от концентрации пре-мРНК P-элемента, будучи менее эффективен, когда концентрация низкая. В P-цитотипе промотор P-элемента

репрессирован, что ведет к низкой концентрации пре-мРНК и к синтезу репрессорного белка. Наоборот, в дисгенных условиях P-промотор не репрессирован, что ведет к высокой концентрации пре-мРНК и к синтезу транспозазы. Эта модель была первоначально подтверждена генетическими методами и затем данными молекулярного анализа. Репрессионная способность P-элемента зависит также от структуры

и положения в геноме.

Высокий уровень регуляции перемещений P-элемента предполагает высокую

чувствительность P-M системы гибридного дисгенеза к действию ДНК-повреждающих

факторов и к нарушениям в процессах репарации. Облучение влияет на эффекты транспозиций P-элемента в условиях ГД, что повышает выход рецессивных и доминантных летальных мутаций. Наблюдаемый при этом эффект синергичного действия облучения и активности транспозона, вероятнее всего, связан с индукцией этими двумя факторами однотипных повреждений ДНК, а именно, двунитевых разрывов. Способность P-элемента вызывать такие серьезные повреждения ДНК, а также активность на премейотических стадиях развития яйцеклеток, обусловливает повышенный интерес к вопросу о функционировании P-M системы ГД в условиях нарушения репарации. Особое значение могут иметь мутации в генах mei-9+ и mei-41+, контролирующих одновременно мейотическую рекомбинацию и репарацию. Дефекты в процессе пострепликативной репарации (мутация mei-41) усиливают те из проявлений ГД, которым сопутствуют события клеточной гибели и доминантной летальности. Однако, ни пострепликативная репарация (мутация mei-41) ни эксцизионная репарация (мутация mei-9) не влияют на уровень рекомбинации у самцов и частоту инсерций. При скрещивании мух, имеющих нарушение системы репарации, с мухами, имеющими активные P-элементы в геноме, наблюдается высокий уровень термочувствительной стерильности, низкая плодовитость и

преждевременное старение клеток зародышевой линии самцов.

Следующая система ГД связана с активностью hobo-элемента. Hobo-элемент перемещается через образование ДНК-посредника и принадлежит к семейству hobo-Ac-Tam3 (hAT). Полный hobo-элемент имеет длину 2959 п.н., несет два инвертированных концевых повтора по 12 п.н. и образует дупликацию в сайте инсерции размером 8 п.н.

Транспозиции hobo-элемента в H-E системе гибридного дисгенеза специфичны для клеток зародышевого пути, хотя может наблюдаться слабая активность hobo в соматических тканях эмбрионов. Активность hobo ограничена зародышевыми клетками из-за отсутствия транспозазы в соматических тканях. Однако, в отличие от P-элемента, тканеспецифическая транспозиция hobo регулируется выработкой транспозазы на уровне

транскрипции.

Классификация линий в H-E системе гибридного дисгенеза основана на присутствии

или отсутствии полноразмерного hobo-элемента: (1) H-линии (Hobo), когда молекулярными методами определяют наличие полноразмерных hobo-элементов; они также содержат элементы с внутренней делецией; (2) DH-линии (Deleted Hobo), когда определяются только делетированные элементы; (3) E-линии (Empty), которые не имеют ни полных, ни делетированных копий элемента hobo. В дополнение, линии

могут быть классифицированы по их способности индуцировать гонадную атрофию. Дисгенная стерильность зависит не только от H-, но и от E-линий. Для H-E системы гибридного дисгенеза характерно также отсутствие корреляции между различными дисгенными событиями.

Механизмы регуляции транспозиций hobo-элементов несколько отличаются от

механизмов регуляции активности P-элементов, однако, схожесть строения

и функций этих элементов может предполагать изменение функционирования hobo

-элементов в H-E системе гибридного дисгенеза в ответ на действие ионизирующего

облучения, как это показано для P-M системы. В пользу предположения о

респонсивности hobo-элементов на действие внешних факторов

свидетельствуют также данные об изменении характеристик в H-E системе

гибридного дисгенеза у некоторых длительно селектируемых по адаптивным

признакам линий Drosophila melanogaster: низкоактивные линии характеризуются повышенной способностью индуцировать дисгенную стерильность и пониженной способностью репрессировать гибридный дисгенез. Линии с высокими адаптивными показателями не индуцируют дисгенную стерильность, но существенно репрессируют ее. Возможно, что эти различия определяются разным составом фракций hobo­-элемента и

разной локализацией его копий в геноме. Выявляется достоверная корреляция между

половой активностью самцов соответствующих линий и их репрессионным

потенциалом. Низкоактивные линии характеризуются исключительно высокой

частотой спонтанного мутирования (высокой частотой возникновения рецессивных

сцепленных с полом и аутосомных мутаций, поздних эмбриональных леталей). В

основе этого явления лежит механизм перемещения по геному мобильных hobo

-элементов. Низкоактивная линия содержит полноразмерные копии hobo

-элементов, способных к синтезу транспозазы и транспозициям. У этой линии

обнаружены закономерные изменения в числе и локализации в геноме

ретротранспозонов, которые связаны с приспособленностью линий. Возможно, что

МГЭ являются составной частью генотипа селектируемых линий, обеспечивающих стратегию вредных последствий отбора и инбридинга. И хотя дестабилизация hobo-элемента сама по себе не вызывает изменения приспособленности линии, выявляется достоверная корреляция между половой активностью самцов соответствующих линий и их репрессионным потенциалом . Это предполагает возможную роль H-E системы

гибридного дисгенеза в формировании генетических механизмов связанных с

приспособленностью к внешним условиям и уровнем генетической изменчивости.

I-R система гибридного дисгенеза обусловлена активностью I-элемента, который относится к классу ретропозонов или LINE-подобных элементов. Полноразмерный I-элемент имеет длину 5371 п.н. Перемещение I-элемента происходит через образование

РНК-посредника с использованием обратной транспозазы, которая кодируется самим

элементом. По отношению к I-R системе гибридного дисгенеза линии Drosophila melanogaster подразделяются на два типа. I-линии (Inducer) или индукторные и R-линии

(Reactive) или реактивные. В геноме I-линий содержится 10-15 копий

полноразмерных I-факторов, которые распределены по всем хромосомам. Активация I-элемента происходит в скрещиваниях самцов из I-линий, которые имеют I-цитотип с самками из линий с R-цитотипом, в скрещиваниях I-самок с R-самцами I-элемент не активируется. Дисгенные нарушения наблюдаются только в яичниках у гибридных самок, в то время как у гибридных самцов таких нарушений не наблюдается. Регуляция активности I-фактора в клетках зародышевой линии осуществляется на уровне инициации

транскрипции или стабильности РНК. Частота транспозиций I фактора в дисгенных скрещиваниях регулируется уровнем реактивности R-самки). В соответствии с этим критерием различают линии со слабым, средним или сильным уровнем реактивности. Уровень реактивности определяется клеточным состоянием в зрелом ооците R-самки и

наследуется преимущественно по материнской линии. Уровень реактивности связан с

механизмами репарации и рекомбинации и усиливается при действии ДНК

повреждающих факторов. Так показано, что действие ингибиторами синтеза ДНК и

гамма лучами усиливает уровень реактивности сходным образом. В то же время, уровень реактивности коррелирует с частотой кроссинговера и эффективностью репарации. Это позволяет предположить, что уровень реактивности является одним из проявлений единой

индуцибельной репарационно-рекомбинационной системы, биологическая роль которой может быть аналогична SOS-ответу у бактерий, и заключаться в модификации уровня изменчивости в ответ на изменение условий окружающей среды. Предложено называть эту системуVAMOS (от англ. variability modulation system, система

модуляции изменчивости). Молекулярные механизмы, участвующие в формировании этой системы еще не выяснены, однако наиболее вероятным представляется участие генов, которые одновременно контролируют процессы рекомбинации и репарации. Из

известных на сегодняшний день генов в определении уровня реактивности наиболее

вероятно участие генов mei-9+ и mei-41+. Дальнейшее исследование роли, которую

играет VAMOS в контроле генетической изменчивости при неблагоприятных условиях

окружающей среды, может существенно прояснить работу молекулярных механизмов

адаптации.

Дисгенные нарушения в рассмотренных системах гибридного дисгенеза в основном

обусловлены транспозициями и эксцизиями мобильных элементов в развивающихся

зародышевых клетках. Высокая частота хромосомных перестроек и рекомбинации у

самцов происходят преимущественно в сайтах инсерции МГЭ. Повышенный уровень мутаций происходит от инсерционных мутаций и других индуцированных транспозициями МГЭ изменений в геноме.

15.Предетерминация цитоплазмы.

Наследование при предетерминации цитоплазмы

Предетерминацией называется предопределение свойств организмов в последующих поколениях. В ряде случаев на­следование признаков связано с особенностями цитоплазмы, воз­никающими в процессе индивидуального развития организма ли­бо под влиянием факторов внешней среды (онтогенетическая или фенотипическая предетерминация), либо под влиянием генотипа (генотипическая предетерминация).

Онтогенетическая предетерминация. В этом случае наследо­вание некоторых признаков по материнской линии обусловлено изменениями в цитоплазме, возникающими и ней под влиянием определенных внешних факторов. Обычно такие изменения нестойки и через несколько поколений постепенно исчезают, возвращаясь к исходному типу. Например, воздействие повышенной температурой на яйца самок наездника Habrobracon до оплодотворения приводит к изменению окраски тела у их потомства. В последующих поколениях при размножении в нормальных температурных условиях это изменение постепенно затухает. Когда температурному воздействию подвергаются самцы, а самки выращиваются в нормальных условиях, подобного эффекта не наблюдается. Подобные изменения, затухающие в ряду поколений при возвращении организмов в исходные условия, называют длительными модификациями. Механизм их до сих пор не выяснен. Длительные модификации могут постоянно проявляться в ряду поколений при условии сохранения вызывавших их факторов; при отсутствии последних происходит постепенный возврат к исходному состоянию.

Генотипическая предетерминация цитоплазмы происходит под влиянием генотипа материнского организма. Яркий пример – наследование направления завитка раковины у пресноводных гермафродитных моллюсков Limnea. Большинство из них – перекрестно оплодотворяющиеся формы, но некоторые из них способны к самооплодотворению. У этих моллюсков встречаются два типа закручивания раковины: против часовой стрелки (левозакрученные) и по ходу часовой стрелки (правозакрученные). Направление закручивания раковины определяется одной парой аллелей: правозакрученность D доминирует над левозакрученностью d. При реципрокных скрещиваниях гибриды F1, имеющие один и тот же генотип Dd, различаются по фенотипу. В скрещивании ♀ DD × ♂ dd все гибридные особи имеют материнский тип – правозакрученные раковины. В скрещивании ♀ dd × ♂ DD потомство также имеет материнский тип завитка, то есть левозакрученную раковину. От самооплодотворения гетерозиготных форм F1 (Dd)  в обоих скрещиваниях все потомки F2 обладают правозакрученной раковиной, хотя гибриды F1 (как и материнские формы) различались по фенотипу. Когда было исследовано потомство от каждой особи F2 в отдельности, то выяснилось, что 1/4 семей имели левый завиток, а 3/4 – правый.

Результаты опытов можно отобразить в виде схемы:

 

Вариант 1.

 

P:	♀ DD	r	♂ dd
	право	Ô	лево
F1:		Dd
		право
	самооплодотворение
F2:	DD	Dd	Dd	dd
	право	право	право	право
	самооплодотворение
	Ô	Ô	Ô	Ô
F3:	DD	1 DD : 2 Dd: 1 dd	1 DD : 2 Dd: 1 dd	dd
	право	право	право	лево

 

Вариант 2.

 

P:	♀ dd	r	♂ DD
	лево	Ô	право
F1:		Dd
		лево
	самооплодотворение
F2:	DD	Dd	Dd	dd
	право	право	право	право
	самооплодотворение
	Ô	Ô	Ô	Ô
F3:	DD	1 DD : 2 Dd: 1 dd	1 DD : 2 Dd: 1 dd	dd
	право	право	право	лево

 

Таким образом, простое менделевское расщепление по данной паре признаков 3 : 1 выявилось не в F2, а только в F3. При этом типе наследования фенотип потомков соответствует генотипу матери, а не генотипу зигот, из которых они развиваются. Данный признак предопределяется генотипом материнского организма в цитоплазме яйца в процессе его развития. Рассмотренный тип насле­дования и является в собственном смысле материнским. Направление завитка раковины определяется характером спирального дробления оплодотворенного яйца, то есть расположением бластомеров по спирали вправо или влево, что, в свою очередь, зависит от ориентации веретена при втором делении дробления.

В данном случае свойства цитоплазмы детерминированы действием хромосомных генов, а не элементами самой цитоплазмы, то есть здесь действует механизм хромосомного наследования, который изменяет цитоплазму яйцеклетки еще до оплодотворения.

16.Понятие о модификационной и генотипической изменичивости (комбинативной и мутационной).

Изменчивость – изменение наследственных задатков при смене поколений, а также изменение их проявления в процессе развития орг-нов. В организме нет ненаследственных изменений; любые измен-я признаков наследственно детерминированы. Изменчивость обуславливает появ разл признаков в ряду поколений. Модификационная = ненаследственная изм-ть форм орг-ма идет под влиянием усл-й окр. среды, кот-е появл-ся у организма не сохраняются при размножении. Изм-я затухающие в последующих поколениях, при возвращении орг-зма вызв. длительными модификациями(м.возникать уродства = тераты). Ненаследственная - изменение фенотипа организма. Наследственная изм-ть – измен-я признаков орг. определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Наслед изм-ть связана с перекомбинацией(комбинативная) или с изм генетического (мутационная). Комбинативная обеспеч-ся мех-м (кроссинговера, случайным расхождением) и случ. встречей гамет при оплодотворении. Значение - появ. большого кол-ва комбинации ген потомстве, в то время как модификпционная изм играет ограниченную роль в эволюции. Пр-м: комбинативной изм. служат мех-м рекомбинации прокарит: трансдукции - перенос генетт материала бактерий с помощью бактериофага. Трансдукция – способ перекомбинации, при кот-м ДНК из1 кл пер в др. и встраивается в ее геном. Пр: мутационной изм служат мутации - измен-я генет-го в-ва, кот-е воспроизводиться в ряду поколений, они могут быть спонтанными и индуцированными. Разл-т: геномные, хромосомные аберрации(структурные перестройки хрм.), генные. По проявлению в гетерозиготе доминантные, рецессивные. По месту возникновения соматические и обортивные.

17.Мутации, их типы.

Генные мутации

Наследственная передача признаков от родителей потомкам -консервативный процесс. Жизнь зависит от точности передачи информации. Но эта консервативность не абсолютна. Изменение генома в процессе эволюции привело к появлению живых существ разной степени организации. Генные мутации связаны с изменением молекулярной структуры гена. Их делят на 2 класса:

– мутации, связанные с заменой оснований,

– мутации, обусловленные сдвигом рамки считывания.

При замене оснований могут происходить:

– транзиции (заменяется один пурин на другой пурин или один пиримидин – на другой пиримидин).

– трансверсии (заменяется пурин на пиримидин и наоборот).

Мутации замены оснований приводят к появлению двух типов мутантных кодонов в иРНК: 1) бессмысленного – нонсенс (кодон, определяющий к-л аминокислоту, превращается в нонсенс кодон, не транслирующийся на рибосомах). Появление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри гена приводит к преждевременной терминации трансляции. В результате этого формируется укороченная полипептидная цепь; 2) с изменением смысла – миссенс (может заменяться одна аминокислота полипептида на другую). Примером миссенс-мутации является замена нуклеотида в 6 кодоне β-цепи гемоглобина у человека. Это приводит к замене глутаминовой кислоты валином и образованию S-формы гемоглобина. Лица, гомозиготные по мутантному аллелю, кодирующему синтез аномальной S-, β-формы, страдают тяжелой формой гемолитической анемии, называемой серповидно-клеточной анемией. В гетерозиготном состоянии ген серповидно-клеточной анемии определяет устойчивость особей к малярии.

Мутации со сдвигом рамки считывания обусловлены вставками или выпадением одного или нескольких нуклеотидов. Генные мутации дают богатые вариации признака. Каждый ген может иметь несколько аллельных состояний. Это создает основу для эволюционной пластичности видов в природных условиях и служит материалом для селекционной работы. Генные мутации структурных генов часто оказывают плейотропное, т. е. множественное действие. Продукт гена обычно действует на различные признаки организма. (у человека доминантная мутация арахнодактилия приводит к аномалии в развитии ряда органов - изменяется строение пальцев, хрусталика глаза, возникает порок сердца).

Хромосомные мутации

Хромосомные перестройки могут приводить к изменению числа генов в хромосомах (дефишенси, делеции, дупликации) или их локализации (инверсии, транслокации).

Дефишенси и делеции вызывают укорочение хромосом. В первом случае утрачивается концевой участок хромосомы, во втором – срединная часть. Физическое отсутствие участка у одного из гомологов приводит к гемизиготному состоянию генов, находящихся в нормальном гомологе. Если гетерозигота теряет доминантные аллели, то наблюдается фенотипическое проявление рецессивных аллелей. Нехватки могут изменять состояние организма. Например, у человека гетерозиготность по делеции в коротком плече 5 хромосомы приводит к синдрому кошачьего крика. Крупные дефишенси и делеции в гомозиготном состоянии – летальны.

Дупликации – это двукратное повторение одного и того же участка хромосомы. Известны случаи многократного повторения – мультипликация, или амплификация. Дупликации появляются в результате неравного кроссинговера между конъюгирующими в процессе мейоза хромосомами или в результате ошибки репликации в интерфазе. Дуплицированные участки часто образуют тандем, т. е. расположены друг за другом. Дупликации могут привести к усилению признака. Такой гигантски умноженный материал выявляется или в хромосомах устойчивых клеток, или в виде большого количества бесцентромерных мини хромосом или кольцевых хромосом. Амплификация, достигнутая в клетке путем накопления бесцентромерных мини-хромосом, быстро утрачивается, если снимается отбирающий фактор. Таким образом, амплификация может обеспечивать динамичное состояние генома, связанное с адаптацией к меняющимся условиям среды. Большим количеством копий представлены гены, кодирующие рибосомную и транспортную РНК. Копии структурно и функционально тождественны друг другу. Функция дополнительных участков генома может быть изменена в результате мутаций. Постепенно дивергенция дуплицированных генов приводит к тому, что они приобретают в процессе эволюции различные, хотя и родственные функции. Существуют гены, близкие по нуклеотидному составу, но кодирующие различные продукты. К ним относятся гены, кодирующие трипсин и хемотрипсин, миоглобин и гемоглобин и т. д. Последовательности ДНК этих генов настолько похожи, что можно говорить об их происхождении от одного гена-предшественника путем его дупликации. В процессе эволюции гены дивергировали настолько, что стали кодировать отдельные генные продукты. Дупликации считаются важным источником генетической изменчивости в процессе эволюции.

Инверсия – это изменение порядка расположения генов в результате перевертывания на 180° участка внутри хромосомы. Если инвертированный участок, включает центромеру, то инверсия называется перицентрической, если не включает – парацентрической.

Инверсия приводит: 1) к изменению линейной последовательности и сцепления генов; 2) при перицентрической инверсии меняется конфигурация хромосом. Акроцентрическая хромосома может превратиться в метацентрическую и наоборот; 3) блок генов, захваченных инверсией, изолируется. При этом у гетерозигот на участке инверсии в мейозе прекращается обмен генами. На цитологических препаратах видны петли. Нарушение кроссинговера при инверсии может привести к снижению плодовитости; 4) в инвертированном участке кроссинговер «заперт», поэтому в нем могут формироваться блоки мутаций, отличные от тех, которые локализованы в гомологичном, но не инвертированном фрагменте хромосомы. При независимом возникновении в пределах ареала вида сходных мутаций может происходить образование новых форм, репродуктивно изолированных от других представителей вида. Данный тип перестроек наиболее часто встречается в природных популяциях. Группа генов, локализованных в инвертированном участке, передается из поколения в поколение как единый блок, не разрываемый кроссинговером. Если в инвертированном участке произойдет одиночный кроссинговер, то при парацентрической инверсии возникает хроматида с двумя центромерами, которые разорвут ее при расхождении в анафазе. В результате бесцентромерный фрагмент будет утерян. Двойной кроссинговер у гетерозигот по инверсиям может приводить к образованию жизнеспособных гамет. Дубинин, Соколов и Тиняков в серии работ 30–40-х гг. XX в. представили результаты анализа хромосомной изменчивости в 20 популяциях Drosophila melanogaster из разных мест бывшего Советского Союза. Среди 34,5 тыс. изученных хромосом свыше 5 % содержали инверсии. Установлена зависимость изменений частот инверсий от экологических факторов. На основе цитогенетического анализа было показано, что пара- и перицентрические инверсии играли существенную роль в дивергенции кариотипов животных.

Транслокации относятся к межхромосомным перестройкам. Они представляют собой обмен участками между негомологичными хромосомами. При транслокации изменяются группы сцепления генов. Транслокации могут быть реципрокными и нереципрокными. При реципрокной транслокации две негомологичные хромосомы обмениваются какими-либо сегментами. При нереципрокной – участок одной хромосомы переносится на другую. У гомозигот по транслокации меняется характер сцепления генов. Гетерозиготы обладают пониженной плодовитостью из-за формирования дефектных гамет. У них в процессе мейоза часто образуются не биваленты, а квадриваленты. У растений гетерозиготы по реципрокным транслокациям закрепляются в потомстве при размножении самооплодотворением или вегетативным путем. Транслокации, как и инверсии, обеспечивают изоляцию новых форм и способствуют дивергенции в пределах вида.

Геномные мутации

Представляют собой изменение числа хромосом: полиплоидия, гаплоидия (моноплоидия), анеуплоидия, центрическое слияние, центрическое разделение.

В полиплоидии различают:

– автополиплоидию,

– аллополиплоидию.

При автополиплоидии (аутополиплоидия) удваивается число хромосом исходного вида. В природных условиях полиплоиды более изменчивы, легче приспосабливаются к новым условиям обитания. Тетраплоиды обычно крупнее своих диплоидных сородичей из-за увеличения размера клеток. Они имеют большую массу листьев, стеблей, плодов, семян, что представляет интерес для сельского хозяйства.. В результате скрещивания тетраплоидов с диплоидами получают триплоиды. У животных автополиплоидия распространена реже. Она встречается в основном среди гермафродитов, например, у земляных червей; у видов с партеногенетическим размножением. Причина более редкой встречаемости автополиплоидии у животных заключается, прежде всего, в том, что: 1) полиплоидия нарушает баланс между аутосомами и половыми хромосомами. Отклонение от диплоидности часто вызывает

стерильность; 2) сложно встретить партнера для размножения со сходным генотипом.

Аллополиплоидия – удвоение числа хромосом у межвидовых и межродовых гибридов. Впервые путь получения плодовитых гибридов был показан Карпеченко в 1927 г. Он получил фертильный аллополиплоид при межродовых скрещиваниях редьки и капусты, У каждого из видов число хромосом одинаково (2n = 18). Они дают гаметы с 9 хромосомами. При слиянии гамет образовавщийся гибрид с 18 хромосомами оказался стерильным. От этого гибрида путем слияния нередуцированных гамет был получен фертильный аллотетраплоид. Он имел 36 хромосом (по 18 от каждого исходного вида) – RRBB.

Гибрид совмещал признаки редьки и капусты. При самоопылении он оставался константным. Плодовитый гибрид получил название рафанобрассика. Благодаря работам Карпеченко, его последователям удалось показать, каким путем идет спонтанное видообразование в природных условиях.

Гаплоидия связана с уменьшением числа хромосом, кратных геному. Гаплоидное состояние нормально для некоторых грибов, водорослей, самцов насекомых. Если же гаплоидными оказываются организмы, которые в норме содержат диплоидный набор хромосом, то они, как правило, становятся миниатюрными с мелкими клетками и стерильными.

Анеуплоидия возникает в результате изменения числа хромосом, не кратных гаплоидному. При этом число хромосом может увеличиваться или уменьшаться: (2n + 1) – трисомия, (2n + 2) – тетрасомия, (2n – 1) – моносомия, (2n – 2) – нуллисомия. У животных и человека лишняя хромосома часто приводит к депрессии развития, и даже летальности. Например, трисомия по хромосомам с 1 по 12 приводит к серьезным органическим нарушениям и выкидышам. Трисомия по 21 хромосоме – к синдрому Дауна. В процессе эволюции могут происходить центрические слияния и центрические разделения. Процесс слияния двух акроцентрических хромосом в одну метацентрическую или диссоциация одного метацентрика в два акроцентрика был назван робертсоновским процессом. Предполагается, что в эволюционной линии, приведшей к возникновению человека, произошла, по крайней мере, одна робертсоновская перестройка. У человека вторая крупная хромосома соответствует 12 и 13 у шимпанзе

18.Эпигенетическая изменчивость. Значение форм изменчивости в эволюции и селекции.

Эпигенетическим наследованием называют наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, вызываемые другими механизмами, чем изменение последовательности ДНК (приставка эпи- означает в дополнении). Такие изменения могут оставаться видимыми в течение нескольких клеточных поколений или даже нескольких поколений живых существ.В случае эпигенетического наследования не происходит изменения последовательности ДНК, но другие генетические факторы регулируют активность генов. Лучшим примером эпигенетических изменений для эукариот является процесс дифференцировки клеток. В течение морфогенеза тотипотентные стволовые клетки становятся плюрипотентными линиями клеток, которые в тканях эмбриона затем превращаются в полностью дифференцированные клетки. Единственная клетка — зигота — оплодотворенная яйцеклетка дифференцируется в различные типы клеток: нейроны, мышечные клетки, эпителиальные клетки, клетки кровеносных сосудов и многие другие. В процессе дифференцировки активируются одни гены и инактивируются другие.Известные эпигенетические механизмы: метилирование ДНК; ремоделирование хроматина; регуляция на уровне РНК; в частности, РНК-интерференция; прионизация белков; инактивация X-хромосомы.Метилирование ДНК и ремоделирование хроматина.Поскольку фенотип клетки или организма в целом зависит от того, какие гены транскрибируются, наследование транскрипционного статуса генов может приводить к эпигенетическим эффектам. Есть несколько уровней регуляции экспрессии генов, первый из которых — ремоделирование хроматина — комплекса ДНК и ассоциированных белков — гистонов. Ремоделирование хроматина может иницироваться посттрансляционной модификацией аминокислот гистонов, например, их метилированием и химической модификацией азотистых оснований, например, метилированием цитозина.Посттранскрипционная регуляцияИногда результат транскрипции гена напрямую или косвенно регулирует активность того же гена. Например, факторы транскрипции Hnf4 и MyoD усиливают экспрессию многих генов в печени и мышцах. Другие эпигенетические изменения регулируются при экспрессии разных сплайсосомных вариантов мРНК или при формировании двуцепочечных молекул РНК (RNAi). Эти гены зачастую включаются и выключаются с помощью сигнальных систем клетки, но иногда в синцитии РНК передаётся между клетками путём диффузии.

19.Доказательства роли ДНК как материального носителя наследственности. Структура ДНК, объясняющая её роль как материального ноителя наследственности.

Молекула ДНК была открыта И.Мишером (Швейцария, 1869) в клеточных ядрах. Позднее было установлено, что ДНК составляет основу хромосом ядра.

В 1943 году О. Т. Эвери, К. МакЛеод, М.МакКарти обнаружили, что ДНК, выделенная из вирулентного штамма бактерии Streptomyces pneumo-пше, переводила невирулентный штамм этой бактерии в вирулентную форму. Значит, ДНК, выделенная из вирулентного штамма, несет наследуемую генетическую информацию, дающую признак вирулентности; эта информация включается в ДНК невирулентных клеток реципиента.

Тщательный анализ ДНК самых различных организмов показал, что количественное соотношение отдельных оснований в молекуле ДНК варьирует в широких пределах, но при этом всегда сохраняется соотношение 1 : 1 между А и Г, с одной стороны, и Г и Ц - с другой.

Обобщив результаты многочисленных исследований молекул нуклеиновых кислот, Э.Чаргафф сформулировал следующие правила:

1) препараты ДНК, полученные из разных тканей одного и того же вида, имеют одинаковый нуклеотидный состав;

2) нуклеотидный состав у разных видов неодинаков;

3) нуклеотидный состав ДНК у данного конкретного вида не меняется с возрастом организма;

4) число адениновых остатков в любой молекуле ДНК независимо от видовой принадлежности организма равно числу тиминовых остатков, а число гуаниновых остатков равно числу цитозиновых остатков.

Молекула ДНК, согласно модели Дж.Уотсона и Ф.Крика (Великобритания, 1953), представляет собой две полимерные цепочки, закрученные одна вокруг другой в виде спирали. Модель состоит из двух цепей ДНК, закрученных в спираль вправо вокруг одной оси с образованием двойной спирали

Оказалось, что две противоположно направленные (антипараллельные) (их 5'и 3'-межнуклеотидные мостики направлены в противоположные стороны) цепи ДНК спирально переплетаются; они удерживаются между собой азотистыми основаниями А―Т и Г—Ц. При этом пуриновые основания связаны слабыми водородными связями с пиримидиновыми основаниями. Этими же связями удерживаются вместе две цепи всей молекулы.

Аденин всегда связан с тимином (А + Т), а гуанин с цитозином (Г+Ц). Эти пары азотистых оснований, дополнительны (комплементарны) по отношению друг к другу. Дополнительны и обе цепочки молекул ДНК. Схематически молекула ДНК может быть изображена в виде винтовой лестницы, ступени которой — это пары азотистых оснований, а боковые стороны — молекулы дезоксирибозы и фосфорной кислоты.

Расстояние между нуклеотидами 3,4 А, диаметр двойной спирали равен 20 А.

Один полный оборот спирали включает 10 нуклеотидов и занимает расстояние 34 А.

Молекула ДНК на всем протяжении состоит из параллельных нитей и имеет поперечник, равный 20А. Это возможно только благодаря тому, что пуриновые основания, имеющие длину кольца 12 А, соединяются с пиримидиновыми основаниями с длиной кольца 8 А.

С помощью модели Уотсона — Крика удалось объяснить многие важные биологические свойства ДНК, эта модель общепризнанна.

Одно из важнейших свойств ДНК — это способность ее к самоудвоению (репликации). В течение двух клеточных поколений ДНК хромосом Еscherichia coli метили радиоактивным изотопом водорода — тритием (³Н-тимидином). На полученных радиоавтографах были видны нити ДНК в момент раскручивания (V-образная форма) и образование новых двойных цепей.

Убедительные доказательства самокопирования ДНК были также получены в опытах с выращиванием бактерий в среде, содержащей тяжелый азот (¹⁵N). В азотистых основаниях ДНК таких бактерий через некоторое время обычный азот ¹⁴N был полностью заменен изотопом ¹⁵N. Тогда бактерии, содержащие тяже­лую ДНК, переносили в среду с ¹⁴N, где они некоторое время росли. Очевидно, на этой среде вновь синтезированная ДНК бактерий должна содержать обычный азот ¹⁴N и быть легкой. Исходя из гипотезы Уотсона — Крика о репликации ДНК путем разделения цепей, можно было предполагать, что плотность молекулы ДНК в различных генерациях бактерий будет неодинаковой.

В первом поколении потомство перенесенных бактерий должно иметь ДНК средней плотности, так как ее молекулы «гибридные»: они состоят из одной тяжелой и одной легкой цепей. ДНК, выделенная из бактерий второго поколения, должна представлять собой смесь молекул двух плотностей. Та половина ДНК, которая составлена из двух легких цепей, должна иметь нормальную плотность, а та, в состав которой вошла одна тяжелая и одна легкая цепь, должна быть полутяжелой.

ДНК из бактерий второго поколения была путем центрифугирования разделена на две фракции: одна из них в сравнении с тяжелой родительской действительно оказалась легкой, вторая — полутяжелой.

Таким образом, поведение ДНК в точности соответствовало предсказаниям, сделанным на основе гипотезы Уотсона — Крика.

ДНК – основной материальный носитель наследственности.

Доказательства важнейшего генетического значения ДНК были получены в результате анализа многих факторов и специально поставленных опытов. Почти вся ДНК находится в хромосомах. В различных организмах содержится разное количество ДНК. Но у одного и того же организма в различных клетках (их ядрах) ее количество одинаково, хотя сами клетки значительно различаются по своему химическому составу.

Количество ДНК в половых клетках в два раза меньше, чем в соматических. При образовании гамет оно уменьшается ровно наполовину и точно восстанавливается в зиготе. Соответственно изменению числа хромосом изменяется количество ДНК в соматических и половых клетках. Таким образом, изменение в клетках количественного содержания ДНК регулируется процессами мейоза и оплодотворения. Это указывает на прямую связь ДНК с размножением организмов.

Мутагенное действие различного рода излучений и химических веществ на организмы связано в первую очередь с изменением ДНК. Так, было установлено, что спектр мутагенного действия ультрафиолетовых лучей соответствует спектру их поглощения ДНК и не соответствует спектру поглощения хромосомных белков. Белки поглощают ультрафиолетовые лучи в диапазоне 180 нм, а ДНК — 260 нм (в том диапазоне, в котором эти излучения вызывают больше всего наследственных изменений). При действии лучей Рентгена на чистые препараты ДНК ее молекулы разрушались. Горчичный газ (иприт) и некоторые другие химические мутагены оказывают на ДНК значительно большее химическое действие, чем на белок и другие вещества клетки.

Важнейшее свойство клетки — способность ее к самовоспроизведению. Но, кроме ДНК, ни один составной компонент клетки, в том числе и все белки, таким свойством не обладают. Способность молекул ДНК к саморепродукции имеет непосредственную связь с клеточным делением и размножением организмов. Молекулы ДНК в сравнении с белковыми обладают огромной устойчивостью. С этим свойством ДНК связано большое постоянство наследственности. Прямым доказательством генетической роли ДНК служат опыты по бактериальной трансформации.

Трансформация. В 1928 г. английский бактериолог Ф. Гриффите наблюдал изменение наследственных свойств бактериальных клеток пневмококков под влиянием какого-то вещества, выделяющегося из других клеток. У пневмококков Diplococcus pneumoniae имеется два штамма, хорошо различимых по внешнему виду и болезнетворным свойствам. Клетки одного из них (5-штамм) заключены в капсульные оболочки, состоящие из полисахаридов, отличаются высокой вирулентностью и вызывают у некоторых млекопитающих тяжелое заболевание — инфекционную пневмонию. Клетки другого штамма (S-штамм) не имеют капсульных оболочек и невирулентны. В опытах Гриффитса мыши, которым вводился вирулентный штамм, погибали. При введении невирулентного штамма они оставались живыми. Клетки вирулентного штамма, предварительно убитые нагреванием, также не вызывали заболевания.

Казалось бы, ничего нового этот опыт дать и не мог. Но совершенно неожиданные результаты были получены у четвертой группы мышей, которым вводили смесь невирулентных и вирулентных, но убитых нагреванием клеток. Эти мыши заболевали инфекционной пневмонией и также погибали, как и мыши первой, группы, которым вводился вирулентный штамм. В выделениях таких больных животных обнаруживались капсульные вирулентные клетки пневмококков. Следовательно, взаимодействие невирулентных и убитых нагреванием вирулентных клеток восстанавливало свойства и внешние признаки последних. Происходила трансформация — передача особенностей одних клеток другим. Самое интересное в этих опытах заключалось в том, что трансформация происходила под влиянием какого-то вещества небелкового характера, поскольку клетки донора предварительно были убиты.

В начале 30-х годов в ряде опытов была показана возможность трансформации вне организма (in vitro), прямо в пробирке. В одном из таких опытов капсульные клетки пневмококков разрушали и смешивали с бескапсульными клетками. Через некоторое время в результате совместного выращивания некоторая часть бескап-сульных клеток превращалась в капсульные и приобретала свойство вирулентности. В последующие годы от одних видов бактерий другим передавали способность образовывать какой-либо белок-фермент, катализирующий в клетке определенный, химический процесс. Таким образом, в различных опытах по трансформации под влиянием какого-то вещества у бактерий происходило направленное изменение определенного наследственного свойства.

Ответ на вопрос, что представляет собой это вещество, посредством которого осуществляется бактериальная трансформация, был дан в 1944 г. в экспериментах американских микробиологов-генетиков под руководством О. Эвери. Продукты разрушенных капсульных клеток бактерий были ими разделены на различные химические компоненты, каждый из которых оценивался на способность вызывать трансформацию признака кансульности. Приэтом обнаруживалось, что только одно вещество обладало способностью превращать бескапсульные клетки в капсульные. С помощью химических методов было показано, что этим веществом, обладающим высокой трансформирующей активностью, является чистая ДНК- Опыт, произведенный в лаборатории Эвери, был многократно повторен в отношении трансформации признака капсулыюсти и многих других наследственных признаков у бактерий и получил полное подтверждение.

Путем бактериальной трансформации в пробирке неустойчивые к стрептомицину клетки пневмококков были превращены в стрептомициноустойчивые. У этого вида микроорганизмов имеются два штамма, по-разному реагирующих на стрептомицин: один в присутствии его в среде погибает, клетки другою могут нормально расти. Клетки стрептомициноустойчивых пневмококков разрушили в пробирке, и из них выделили ДНК. После добавления такой очищенной ДНК в среду, на которой развивались неустойчивые к стрептомицину пневмококки, некоторые из них приобретали наследственную устойчивость к этому антибиотику. Таким образом, во всех случаях бактериальной трансформации направленное изменение свойств бактерий вызывала ДНК. В то же время попытки вызвать бактериальную трансформацию другими химическими веществами, входящими в состав клетки, оказались совершенно безрезультатными.

В настоящее время изучено много случаев бактериальной трансформации и во всех из них точно установлено, что изменения признаков происходят благодаря ДНК. Открытие Эвери и его сотрудников имело для последующего развития генетики выдающееся значение. Установление связи ДНК с наследственными свойствами клетки положило начало изучению закономерностей наследственности и изменчивости организмов на молекулярном уровне.

ДНК и вирусы. Вирусы — это внутриклеточные паразиты животных, растений и бактерий. Вирусы, поражающие бактерии, называют бактериофагами или просто фагами (в буквальном переводе «фаг» — пожиратель бактерийу). Вирусы состоят из белковой оболочки, заполненной молекулой нуклеиновой кислоты. В химическом отношении они представляют собой нуклеопротеиды. Частицы одних вирусов содержат ДНК, в состав же других входит только РНК. В последнее время были открыты РНК-ДНК-со-держащие вирусы. Их геном состоит попеременно из РНК и ДНК. Для изучения свойств нуклеиновых кислот и явлений наследственности на молекулярном уровне наиболее широко были использованы фаг Т2, размножающийся внутри клеток кишечной палочки Еscherichia coli, и вирус табачной мозаики (ВТМ). Частица фага Т2 состоит наполовину из ДНК и наполовину из различных, белков. При сильном увеличении у него хорошо различается шестиугольная головка и нитевидный хвост, в конце его имеется пластинка, к которой прикрепляются хвостовые нити. Внутри головки помещается туго скрученная в спираль очень длинная нить ДНК.

Атакуя бактерию, фаг «садится» хвостом на нее и хвостовыми нитями прикрепляется к ее поверхности. Вслед за этим он впрыскивает в клетку-хозяина свою ДНК. Белковая оболочка фага при этом остается на поверхности клетки. Попав внутрь клетки, ДНК фага парализует нормальную работу клетки, клеточная ДНК распадается, и синтез белков в ней прекращается. Весь контроль над биохимическим аппаратом клетки переходит к вирусной ДНК, которая полностью переключается на производство белковых молекул, необходимых для репродукции новых вирусных частиц, С огромной скоростью ДНК вируса начинает «штамповать» себе подобные структуры: примерно за 20 минут образуется несколько сотен новых зрелых частиц фага. Они переполняют клетку, оболочка ее разрывается, и частицы фага, выходят во внешнюю среду, готовы поражать новые бактериальные клетки.

Очень наглядно и точно генетическая роль ДНК была установлена Херши и Чейз благодаря использованию изотопной метки при изучении размножения фага Т2. Белок фага был помечен радиоактивной серой (³⁵S), а ДНК — радиоактивным фосфором (³²Р).

Такой препарат фага смешивали с суспензией бактериальных клеток. После этого в потомстве фага с помощью специальных счетчиков радиоактивности прослеживали распределение метки. Оказалось, что новые фаговые частицы содержали только испускавший β-излучение радиоактивный фосфор, которым была помечена ДНК. Меченый белок родительского фага дочернему поколению не передавался. ³⁵S ни у одной частицы в белковой оболочке не содержалась.

Вирус табачной мозаики устроен предельно просто. Он имеет палочковидную форму и состоит из длинной нити РНК, на которую нанизано несколько сотен совершенно одинаковых белковых молекул. РНК у ВТМ выполняет ту же функцию, что ДНК у фагов и других вирусов. Если РНК этого вируса отделить от своего белкового «футляра» и ввести внутрь клетки растения, то произойдет заражение и образуются новые многочисленные частицы фага. Встряхивая в водном растворе фенола суспензии частиц фага, отделяют РНК вируса от его белка. Затем заражают листья табака отдельно каждым компонентом. При этом оказывается, что белковая часть заражения не производит, а втирание в листья РНК вызывает заболевание, сопровождающееся образованием в клетках новых частиц вируса.

Опыты с фагом Т2 и ВТМ убедительно доказывают, что материальная преемственность между заражающей частицей и ее потомками обеспечивается исключительно посредством проникающей в бактериальную или растительную клетку ДНК или РНК.

Трансдукция. Поражая бактерию, фаг не всегда ее уничтожает. Иногда процесс вирусной инфекции протекает иначе, чем это было описано выше. ДНК фага, попав в клетку, может прикрепляться к бактериальной хромосоме и образовывать так называемый профаг. Он может делиться вместе с бактериальной хромосомой и при соответствующих постоянных внешних условиях в течение длительного времени передаваться от одного клеточного поколения другому. Но условия могут измениться так, что начнется репродуцирование частиц фага, и клетка погибнет. При этом, отдельные фаговые частицы, как это показали в 1952 г. Н. Циндер и Дж. Ледерберг, в процессе размножения могут случайно захватывать очень небольшие кусочки, хромосомы клетки-хозяина и переносить вместе с ними гены из одной клетки в другую. Такой перенос фагами генетического материала из одних клеток в другие называется трансдукцией (от лат. transductio — перенос). Прикрепляясь к какой-нибудь другой бактериальной клетке, фаг вместе со своей ДНК впрыскивает в нее и этот, захваченный ранее фрагмент. Попав в клетку, такой фрагмент в результате кроссинговера может оказаться в хромосоме бактерии. Если фаг выращивался на одном бактериальном штамме, а затем трансдуцировал другой штамм, генотип последнего может измениться.

Таким образом, совокупность всех полученных в описанных исследованиях данных убедительно показывает, что ДНК — это химическое вещество, в котором организм сохраняет свои наследственные свойства, т. е. наследственная информация организма записана в структуре молекул ДНК.

Структура ДНК, объясняющая ее роль как материального носителя наследственности. Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.

20.Особенности репликации ДНК у прокариот и эукариот.

Доказательства полуконсервативного способа репликации ДНК.Одним из фундаментальных свойств ДНК, обеспечивающих передачу наследственной информации от клетки к клетке в процессе деления от родителей к потомкам является репликация. Репликация НК обеспечила возможность возникновения жизни и непрерывность живой материи. Предположение о полуконсервативном способе репликации ДНК (т.е новая молекула представлена одной родительской и одной вновь синтезированной цепями) высказано еще Уотсоном и Криком. Первые доказательства получены в 1957г. М.Мезельсоном и Ф.Сталем. Вновь синтезируемые молекулы ДНК метели ¹⁵N. Для этого бактерии E. Coli в течении нескольких делений выращивали на среде с единственным источником азота ¹⁵NH₄Cl (хлорид аммония) Вся ДНК была равномерно помечена ¹⁵N и имела более высокую плотность. Образцы с тяжелой и легкой ДНК легко разделить при центрифугирование в градиенте плотности хлорида цезия, образуя в УФ длиной 160нм 2 зоны поглощения. Если бактерии, выращенные на среде с ¹⁵N переносили в среду с ¹⁴N и давали поделится 1 раз, то экстрагированная из них ДНК давала только 1 зону поглощения в УФ – промежуточную. Это исключало консервативный механизм репликации, при котором новые молекулы не содержат материала родительской ДНК. Если давали поделится на обычной среде 2 раза, то появлялся пик легкой ДНК и сохранялся пик промежуточной, не исчезающей при последующих деления. Хромосома бактерий представляет собой один репликон. Репликон – автономная единица репликации, в пределах которой она начинается и заканчивается. Хромосома эукариот полирепликонна и содержит сотни репликонов. В каждом репликоне присутствуют необходимые для репликации контролирующие элементы: точка инициации origin и точка окончания terminalis.

22.Процессинг. Альтернативный сплайсинг. Обратная транскрипция. Ретровирусы.

Альтернативный сплайсинг — процесс, в ходе которого экзоны, вырезаемые из пре-мРНК, объединяются в различных комбинациях, что порождает различные формы зрелой мРНК. В результате один ген может порождать не одну, а множество форм белка.Пре-мРНК некоторых генов эукариот могут подвергаться альтернативному сплайсингу. При этом интроны в составе пре-мРНК вырезаются в разных альтернативных комбинациях. Разные варианты альтернативного сплайсинга одной пре-мРНК могут осуществляться в разные периоды развития организма или в разных тканях, а также у разных особей одного вида [1]. Как правило, при альтернативном сплайсинге из первичного транскрипта удаляются и некоторые экзоны.Существует несколько механизмов альтернативного сплайсинга:Экзон может вырезаться или оставаться в составе мРНК.Один из двух «взаимоисключающих» экзонов вырезается, а другой остаётся.Использование альтернативного донорных сайтов: используются разные 5'-точки разрезания первичного транскрипта (донорные сайты), что изменяет 3'-границу вышележащего (upstream) экзонаИспользование альтернативных акцепторных сайтов: используются разные 3'-точки разрезания транскрипта (акцепторные сайты), так что меняется 5'-границы нижележащего (downstream) экзона.Сохранение интронов в составе мРНК. В этом случае для сохранения функциональности белка интрон должен содержать последовательность нуклеотидов, не вызывающую сдвиг рамки считывания и не содержащую стоп-кодонов.Существуют и другие механизмы альтернативного сплайсинга. Обратная транскрипция — это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки.Некоторые из продуктов альтернативного сплайсинга пре-мРНК нефункциональны (такой вариант альтернативного сплайсинга осуществляется у дрозофилы при определении пола), но нередко в результате альтернативного сплайсинга пре-мРНК одного гена образуются многочисленные мРНК и их белковые продукты.Показано, что у человека 94 % генов подвержено альтернативному сплайсингу (у остальных 6 % генов нет интронов). Геном круглого червя Caenorhabditis elegans по количеству генов практически не отличается от генома человека, однако альтернативному сплайсингу подвергаются пре-мРНК только 15 % генов. Таким образом, альтернативный сплайсинг позволяет увеличить разнообразие белковых продуктов генов, сохраняя при этом относительно небольшое количество различных генов в геноме и не создавая избыточных копий генов.В 2010 году профессор Брендан Фрей (Brendan Frey) и Бенджамин Бленкоу (Benjamin Blencowe) из университета Торонто (Канада) составили описание «кода сплайсинга», «словаря» комбинаций из сотен характеристик РНК и результатов сплайсинга для большого количества экзонов. Ретрови́русы (лат. Retroviridae) — семейство РНК-содержащих вирусов, заражающих преимущественно позвоночных. Наиболее известный и активно изучаемый представитель — вирус иммунодефицита человека.После инфицирования клетки ретровирусом в цитоплазме начинается синтез вирусного ДНК-генома с использованием вирионной РНК в качестве матрицы. Все ретровирусы используют для репликации своего генома механизм обратной транскрипции: вирусный фермент обратная транскриптаза (или ревертаза) синтезирует одну нить ДНК на матрице вирусной РНК, а затем уже на матрице синтезированной нити ДНК достраивает вторую, комплементарную ей нить. Образуется двунитевая молекула ДНК, которая, проникнув через ядерную оболочку, интегрируется в хромосомную ДНК клетки и далее служит матрицей для синтеза молекул вирусных РНК. Эти РНК выходят из клеточного ядра и в цитоплазме клетки упаковываются в вирусные частицы, способные инфицировать новые клетки.По одной из гипотез, ретровирусы могли произойти от ретротранспозонов — подвижных участков генома эукариот

23.Трансляция. Роль рибосом и разных типов РНК в этом процессе. Основные этапы трансляции.

Трансляцией - осуществляемый рибосомой синтез белка из АК-т на матрице иРНК или мРНК. Синтез белка является основой жизнедеятельности клетки. Для его в клетках всех без исключения организмов имеются рибосомы, представляющие собой рибонуклеопротеидные комплексы, построенные из 2 субъединиц: большой и малой. Ф-ция: распознавание трёхбуквенных (трехнуклеотидных) кодонов мРНК, сопоставлении им соответствующих антикодонов тРНК, несущих АК-ты, и присоединении этих АКт к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы мРНК, рибосома синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле мРНК.

Для узнавания АКт в клетке имеются специальные «адаптеры», молекулы тРНК, имеющие форму клеверного листа. Они имеют участок (антикодон), комплементарный кодону мРНК, а также другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляется в энерго-зависимой реакции ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, а получившаяся молекула называется аминоацил-тРНК. Таким образом, специфичность трансляции определяется взаимодействием между кодоном мРНК и антикодоном тРНК, а также специфичностью аминоацил-тРНК-синтетаз, присоединяющих аминокислоты строго к соответствующим им тРНК (например, кодону GGU будет соответствовать тРНК, содержащая антикодон ACC, а к этой тРНК будет присоединяться только аминокислота глицин).

Механизмы трансляции прокариот и эукариот существенно отличаются, поэтому многие вещества, подавляющие прокариотическую трансляцию, в значительно меньшей степени действуют на трансляцию высших организмов, что позволяет использовать их в медицинской практике как антибактериальные средства безопасные для организма млекопитающих.

Процесс трансляции разделяют на:

-инициацию — узнавание рибосомой стартового кодона (AUG – метионин) и начало синтеза.

-элонгацию — собственно синтез белка.

-терминацию — узнавание терминирующего кодона (стоп-кодона) и отделение продукта.

Инициация

Синтез белка начинается с AUG-кодона (метионин). Инициация: узнавание рибосомой этого кодона и привлечение инициаторной аминоацил-тРНК + необходимо наличие опр нуклеотидных последовательностей в районе стартового кодона (защите 5'-конца мРНК - 5'-кэп). – необходимо. Чтобы инициация не происходила хаотично на всех AUG-кодонах.

Процесс инициации обеспечивается специальными белками — факторами инициации

Прокариотические рибосомы потенциально способны находить стартовый AUG и инициировать синтез на любых участках мРНК, эукариотические рибосомы обычно присоединяются к мРНК в области кэпа и сканируют её в поисках стартового кодона.

Схема инициации трансляции у прокариот. Связывание малой рибосомной субъединицы (30S) с мРНК (2 способа: либо сначала к мРНК присоединяется комплекс, содержащий рибосомную субчастицу, а затем к нему привлекается тРНК в комплексе с IF2 и ГТФ, либо 30S субъединица изначально связывается с тРНК, а уже потом садится на мРНК). К образовавшемуся комплексу приходит большая (50S) рибосомная субъединица, инициаторные факторы отсоединяются от 30S субчастицы, что сопровождается гидролизом ГТФ белком IF2, и собранная рибосома начинает элонгировать цепь. Малая рибосомная субъединица (30S) прокариот, если она не вовлечена в данный момент в трансляцию, существует в комплексе с инициаторными факторами IF1, IF3, и, в некоторых случаях, IF2. IF3, связанный с 30S-субъединицей, предотвращает ассоциацию с большой (50S) субъединицей рибосомы, тем самым сохраняя ее свободное состояние до связывания с матричной РНК. Этот белок также принимает участие в связывании мРНК и тРНК, а также IF2.

IF2 взаимодействует с тРНК, а также обладает способностью расщеплять ГТФ.

IF1 является, по-видимому, не обязательным фактором (у некоторых видов он отсутствует) повышающим сродство малой субчастицы к IF2 и IF3.

Комплекс 30S субчастицы с инициаторными факторами способен узнавать специальные последовательности мРНК, так называемые участки связывания рибосомы. Эти участки содержат, во-первых, инициаторный AUG, и, во-вторых, специальную последовательность Шайна-Дальгарно с которой комплементарно связывается рибосомная 16S РНК. Последовательность Шайн-Дальгарно служит для того, чтобы отличать инициаторный AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин. После того, как 30S-субъединица связалась с мРНК к ней привлекается инициаторная аминоацил-тРНК и IF2, если они еще не были включены в комплекс. Затем присоединяется 50S-субчастица, происходит гидролиз ГТФ и диссоциация инициаторных факторов. Собранная рибосома начинает синтезировать полипептидную цепь.

У эукариот существуют два механизма нахождения рибосомой стартового AUG: кэп-зависимый (сканирующий) и кэп-независимый (внутренняя инициация).

При сканирующем механизме рибосома (точнее, её малая субъединица) садится на 5'-конец мРНК в области кэпа и двигается вдоль молекулы мРНК, «сканируя» один кодон за другим, пока не наткнётся на инициаторный AUG. Для привлечения рибосомы к 5'-концу мРНК требуется специальная структура, кэп — 7-метилгуанин, прикреплённый к 5'-концевому нуклеотиду мРНК.

При механизме внутренней инициации, называемом у эукариот также IRES-зависимым механизмом, рибосома садится на внутренний участок мРНК, называемый IRES - участок мРНК, обладающий выраженной вторичной структурой, позволяющей ему направлять рибосомы на стартовый AUG. По IRES-зависимому механизму инициируется синтез лишь на небольшой части клеточных мРНК, а также на РНК некоторых вирусов.

Также у эукариот возможна реинициация трансляции, когда после окончания трансляции рибосома с белковыми факторами не диссоциирует от мРНК, а перескакивает с 3' на 5' конец мРНК и начинает инициацию ещё раз. Такое возможно благодаря замкнутой кольцевой форме мРНК в цитоплазме.

Элонгация

В процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации. Первый (EF1a у эукариот, EF-Tu — у прокариот) переносит аминоцилированную (заряженную аминокислотой) тРНК в А (аминоацил)-сайт рибосомы. Рибосома катализирует образование пептидной связи, происходит перенос растущей цепи пептида с Р-сайтовой тРНК на находящуюся в А-сайте, пептид удлиняется на один аминокислотный остаток. Затем второй белок (EF2 у эукариот, EF-G — у прокариот) катализирует так называемую транслокацию. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один триплет, в результате которого пептидил-тРНК оказывается вновь в Р-сайте, а «пустая» тРНК из P-сайта переходит в Е-сайт (от слова exit). Цикл элонгации завершается, когда новая тРНК с нужным антикодоном приходит в A-сайт.

Терминация — окончание синтеза белка, осуществляется, когда в А-сайте рибосомы оказывается один из стоп- кодонов — UAG, UAA, UGA. Из-за отсутствия тРНК , соответствующих этим кодонам, пептидил-тРНК остаётся связанной с Р-сайтом рибосомы. Здесь в действие вступают специфические белки RF1 или RF2, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от мРНК, а также RF3, который вызывает диссоциацию мРНК из рибосомы. RF1 узнаёт в А-участке UAA или UAG; RF-2 — UAA или UGA. С UAA терминация эффективнее, чем с другими стоп-кодонами.

В отличие от прокариот, у которых биосинтез белка происходит непосредственно во время транскрипции соответствующих мРНК, для эукариот характерна строгая компартментализация всех процессов, происходящих во время биосинтеза белка, в том числе и компартментализация трансляции.

Компартментализация трансляции обеспечивает высокую скорость биосинтеза белка и широкие возможности регуляции этого процесса.

24.Молекулярные маркеры ДНК (ПДРФ, RAPD, SSR). Микро- и минисателлиты. Фингерпринтинг как метод идентификации личности.

ПДРФ - маркеры ПДРФ (полиморфизм длин рестрикционных фрагментов ДНК,

Было установлено, что генетическим маркером может быть любое место в геноме, где произошло изменение в последовательности ДНК, которое обнаруживается как внут­реннее различие между индивидами в популяции, но никаких внешних (фенотипических; различий между ними при этом не наблюдается.

У бактерий установлен и выделен целый ряд ферментов рестриктаз, которые узнают специфические последовательности в молекуле ДНК (обычно составляющие 4-6 нуклеотидов) и разрезают двойную спираль внутри или вблизи сайта узнавания, в результате чего образуются рестрикционные фрагменты, или рестрикты.

Отсутствие сайта узнавания может быть связано с делецией. инсер-цией или заменой нуклеотидов. Следовательно, любая мутация, изменяю­щая последовательность нуклеотидов сайта рестрикции, уничтожает этот сайт.

Разновидностями сатДНК являются .микросателлиты (МКС, или про­стые повторяющиеся последовательности - ППП) и минисателлиты (МНС). Минимальная повторяющаяся единица (КОР) микросателлитов включает от 1 до 10 пар нуклеотидов, минисателлитов - 15 -70 пн. Их рас­положение в геноме и число повторений коровых единиц специфичны для каждого организма.

ДНК маркер 100 п.н. (400х2)ДНК маркер получен с помощью гидролиза плазмидной ДНК эндонуклеазой рестрикции, с последующей экстракцией фенол-хлороформом и переосаждением этанолом.Длины фрагментов ДНК: ДНК маркер содержит 11 фрагментов ДНК следующей длины (п.н.): 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 400, 300, 200, 100 Концентрация: 0,5 мг/мл. Условия хранения: 10 мМ Tris-HCl (pH 8.0), 1 мМ EDTA. Хранить при -20°С. 2% агароза1 мкг ДНК маркер 100 п.н. (500х2) ДНК маркер получен с помощью гидролиза плазмидной ДНК эндонуклеазой рестрикции, с последующей экстракцией фенол-хлороформом и переосаждением этанолом. Длины фрагментов ДНК: ДНК маркер содержит 11 фрагментов ДНК следующей длины (п.н.): 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 500, 400, 300, 200, 100 Концентрация: 0,5 мг/мл. Условия хранения: 10 мМ Tris-HCl (pH 8.0), 1 мМ EDTA. Хранить при -20°С. 2% агароза1 мкг ДНК маркер BX100-7 ДНК маркер получен с помощью гидролиза плазмидной ДНК эндонуклеазой рестрикции, с последующей экстракцией фенол-хлороформом и переосаждением этанолом. Длины фрагментов ДНК: ДНК маркер содержит 7 фрагментов ДНК следующей длины (п.н.): 1000, 900, 800, 600, 400, 300, 100 Концентрация: 0,5 мг/мл. Условия хранения: 10 мМ Tris-HCl (pH 8.0), 1 мМ EDTA. Хранить при -20°С.

ДНК-фингерпринтинг оказался эффективен и совсем в другой области: при изучении родственных видов растений и животных, их эволюционных связей. Причем в последнее время для таких исследований все чаще применяют не основную часть генетического материала, которая расположена в ядре клетки и представляет собой «смесь» генов матери и отца, а так называемую митохондриальную - ту, которая хранится вне ядра клетки. Этой ДНК обладает только яйцеклетка, сперматозоид ее лишен. Поэтому каждый живой организм получает митохондриальную ДНК только от матери. Этот в своем роде генетический андерграунд меньше подвержен изменениям и позволяет выяснить степень генетического родства более точно.Можно без преувеличения сказать, что ДНК-фингерпринтинг дал новый информативный срез почти в каждой области биологии. Если сравнить науку со слоеным пирогом, в котором чередуются различные фундаментальные отрасли, то этот метод подобен ножу, рассекающему «пирог» сверху донизу, чтобы обнажить в каждом слое новый удивительный срез. первариабельные участки ДНК представляют собой короткие повторы нуклеотидов, которые можно было бы сравнить также с определенными знаками препинания внутри генетического «текста». Разнообразие этих знаков препинания и их свойство располагаться в самых разных участках ДНК и обеспечивает практически бесконечное разнообразие их сочетаний. Какова функциональная роль гипервариабельных участков, пока окончательно не ясно. Хотя можно предположить, что она может оказаться очень важной, как и наличие запятой в классической фразе «казнить нельзя помиловать». Варианты и чередование таких повторов у каждого человека строго индивидуальны и совпадают только у идентичных близнецов. Чтобы выявить такие участки внутри ДНК, используется маркерный зонд - фрагмент ДНК, содержащий определенную последовательность нуклеотидов - ту, которую предстоит найти. Для того чтобы определить количество и местонахождение таких гипервариабельных участков, длинную нить ДНК «нарезают» на фрагменты разной длины. Полученные фрагменты «сортируют» с помощью гель-электрофореза и смешивают с зондом, несущим радиоактивную или другую метку. В процессе гибридизации зонд с меткой «узнает» сходные с ним последовательности и присоединяется к ним. Участки ДНК, на которые «садится» зонд, тоже становятся мечеными и легко распознаются с помощью специальных методов. После несложной обработки можно увидеть чередующиеся темные и светлые полосы разной ширины, напоминающие штрих-код. Вскоре стало ясно, что гипервариабельные участки ДНК дают новую возможность очень четко идентифицировать индивидуальность человека. Это открытие почти сразу же, с колес, нашло применение в криминалистике. Как в Англии, так и у нас, когда к Евгению Рогаеву, в то время еще недавнему выпускнику МГУ, обратились судмедэксперты с просьбой помочь в расследовании одного сложного дела.Прежде, чем ДНК-фингерпринтинг (fingerprinting - по аналогии с отпечатками пальцев, которые тоже строго индивидуальны) был утвержден как метод криминалистической экспертизы, он уже стал применяться на практике. Это один из самых ярких примеров стремительного соединения теоретических достижений науки с реальными потребностями человечества.

25.Цитологические основы полового и бесполого размножения.

В основе бесполого размножения лежит митоз. Митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы. В профазе увеличивается объем ядра, хромосомы становятся видимыми вследствие спирализации, по две центриоли расходятся к полюсам клетки. В результате спирализации хромосом становится невозможным считывание генетической информации с ДНК и прекращается синтез РНК. Между полюсами протягиваются нити ахроматинового веретена. В конце профазы ядерная оболочка распадается на отдельные фрагменты. На протяжении профазы продолжается спирализация хромосом, которые утолщаются и укорачиваются. После распада ядерной оболочки хромосомы свободно и беспоря­дочно лежат в цитоплазме.

В метафазе спирализация хромосом достигает максимума и укороченные хромосомы устремляются к экватору клетки, распо­лагаясь на равном расстоянии от полюсов. Центромерные участки хромосом располагаются строго в одной плоскости, а сестринские центромеры и хроматиды обращены к противоположным полюсам.

В анафазе центромера каждой из хромосом разделяется, и с этого момента хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, тянут хромосомы к полюсам клетки, а плечи хромосом при этом пассивно следуют за центромерой. Таким образом, в анафазе хроматиды удвоенных еще в интерфазе хромосом точно расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом.

Завершается митоз телофазой. Хромосомы, собравшиеся у полюсов, деспирализуются и становятся плохо видимыми. Из мембранных структур цитоплазмы образуется ядерная оболочка. В клетках животных цитоплазма делится путем перетяжки тела клетки на две меньших размеров, каждая из которых содержит один диплоидный набор хромосом. В клетках растений цитоплазматическая мембрана возникает в середине клетки и распростра­няется к периферии, разделяя клетку пополам. После образования поперечной цитоплазматической мембраны у растительных клеток появляется целлюлозная стенка.

В митотическом цикле клетки митоз — относительно короткая стадия, продолжающаяся обычно от 0,5 до 3 ч. Начиная с первого митотического деления оплодотворенной яйцеклетки — зиготы — все дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза, содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз — это способ деления клеток, заключа­ющийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. В результате митоза обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.

Значение митоза- Митоз обеспечивает эмбриональное развитие, рост, восстановление органов и тканей.

У форм, размножающихся половым путем, в генеративных органах формируются гаметы, имеющие гаплоидный набор хромосом. Мейоз необходим, чтобы после оплодотворения восстановился нормальный набор хромосом.

Мейоз включает два последовательных деления. Как и в митозе выделяют четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Первое (I) мейотическое деление. Профаза начинается спирализацией хромосом. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой в области центромеры. Затем гомологичные хромосомы сближаются, каждая точка каждой хроматиды одной хромосомы совмещается с соответствующей точкой хроматиды другой, гомологичной хромосомы. Этот процесс точного и тесного сближения гомологичных хромосом в мейозе называют конъюгацией

В дальнейшем между такими хромосомами может произойти обмен одинаковыми, или гомологичными, т.е. содержащими одни и те же гены участками. Такой процесс носитназвание кроссинговера. К концу профазы между гомологичными хромосомами возникают силы отталкивания.

В метафазе I спирализация хромосом максимальна. Конъюгированные хромосомы располагаются по экватору.

В анафазе I плечи гомологичных хромосом окончательно разделяются и хромосомы расходятся к различным полюсам. Число хромосом умень­шается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Однако каждая хромосома состоит из двух хроматид, т.е. по-прежнему содержит удвоенное количество ДНК, и, следовательно, формула хромосомного набора клетки после завершения первого мейотического деления 1п2с.

В телофазе I на непро­должительное время образуется ядерная оболочка. Поскольку отдельные хромосомы гаплоидных дочерних клеток остаются удвоенными, во время интерфазы между I и II делениями мейоза редупликации ДНК не происходит. Клетки, образовавшиеся в результате I деления созревания, a отличаются по составу отцовских и материнских хромосом и, следовательно, по набору генов.

Например, все клетки человека, в том числе первичные половые клетки, содержат 46 хромосом. Из них 23 получены от отца и 23 от матери. После I мейотического деления в сперматоциты и овоциты также попадает по 23 хромосомы. Однако следствие случайности расхождения отцовских и материнских хромосом в анафазе I образующиеся клетки получают самые разнообразные комбинации родительских хромосом. Мейоз — основа комбинативной генетической изменчивости.

Второе (II) мейотическое деление. Второе I деление мейоза в общем протекает так же, как обычное митотическое деление, с той лишь разницей, что делящаяся клетка гаплоидна (1n2с). С завершением телофазы II , заканчивается и весь процесс мейоза: из исходной первичной половой клетки образовались четыре гаплоидные клетки с хромосомным набором 1n1c.

Таким образом, сущность периода созревания состоит в том, что в половых клетках путем двукратного мейотического деления, количество хромосом уменьшается вдвое, а количество ДНК — вчетверо. Биологический смысл второго мейотического деления I заключается в том, что количество ДНК приводится в соответствие хромосомному набору.

У особей мужского пола все четыре гаплоидные клетки преобразуются в гаметы — сперматозоиды. У особей женского пола вследствие неравномерного мейоза лишь из одной клетки получается жизнеспособное яйцо - направительные телеца.

26.Понятие об экспрессивности и пенетрантности генов.

Термины «пенетрантность» и «экспрессивность» были предложены Тимофеевым-Ресовским в 1927 г.

Экспрессивностью - степень выраженности определенного признака. В отличие от пенетрантности, которая указывает, у какой доли особей в популяции проявляется данный признак, экспрессивность относится к изменчивости признака у тех особей, у которых он проявляется. Внеш­няя среда и гены-модификаторы могут изменить экспрессию гена, т. е. выражение признака. Это частое явление. У потомства дрозофилы — мутантных «безглазых» мух с сильно редуцированным количеством фасеток — содержание их варьирует от почти полного отсутствия до половины нормы. Экспрессивность (англ. expressivity) — степень фенотипического проявления гена, как мера силы его действия, определяемая по степени развития признака. Экспрессивность у обоих полов может быть одинаковой или различной, постоянной или варьирующей, если выраженность признака при одинаковом генотипе колеблется от особи к особи. При отсутствии изменчивости признака, контролируемого данным аллелем, говорят о постоянной экспрессивности (однозначная норма реакции). Например, аллели групп крови ABO у человека практически имеют постоянную экспрессивность. Другой вид экспрессивности — изменчивая или вариабельная. В основе лежат различные причины: влияние условий внешней среды (модификации), генотипической среды (при взаимодействии генов). Степень экспрессивности оценивается количественно с помощью статистических показателей. В случаях крайних вариантов изменения экспрессивности (полное отсутствие признака) используют дополнительную характеристику — пенетрантность. Хорея Гентингтона может служить примером неполной пенетрантности и варьирующей экспрессивности проявления доминантного гена. Возраст первого появления хореи Гентингтона разнообразен. Известно, что у некоторых носителей она так и не проявится (неполная пенетрантность), кроме того, этот ген имеет варьирующую экспрессивность, так как носители заболевают в различном возрасте. Так, у собак экспрессивность развития прибылых пальцев варьирует от полностью развитых пальцев на обеих задних конечностях до наличия их в зачаточном состоянии только на одной конечности. Подобная вариация экспрессивности характерна и для других наследуемых признаков, в частности и для мышиных хвостов.

Пенетрантность гена — это доля особей, у которых проявля­ется ожидаемый фенотип. При полной пенетрантности (100 %) мутантный ген проявляет свое действие у каждой особи. При неполной пенетрантности (меньше 100 %) ген проявляется фенотипически не у всех особей. Экспрессивность и пенетрант­ность гена в значительной степени зависят, по-видимому, от влияния генов-модификаторов и условий развития особей. Пенетрантность характеризуется частотой или вероятностью проявления аллеля определенного гена и определяется процентом особей популяции, у которых он фенотипически проявился. Различают полную (проявление признака у всех особей) и неполную (у части) пенетрантность. Количественно пенетрантность выражается долей особей в процентах, у которых данный аллель проявляется. Так, например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, это указывает на то, что лишь у 1/4 генотипов, несущих определенный ген, проявляется его фенотипический эффект. В основе неполной пенетрантности лежит взаимодействие генетических и средовых причин. Знание пенетрантности определенных аллелей необходимо в медико-генетическом консультировании для определения возможного генотипа «здоровых» людей, в роду которых встречались наследственные болезни. К случаям неполной пенетрантности можно отнести проявления генов, контролирующих ограниченные полом и зависимые от пола признаки У мышей известна рецессивная мутация изогнутости хвоста, называемая "поросячий хвост". Установлено, что в скрещивании, где оба родителя имели "поросячий хвост" и, следовательно, были гомозиготными по этому признаку, рождались мыши с нормальными хвостами. При разведении таких нормальных по фенотипу мышей "в себе" у них рождались мышата, имеющие изогнутый хвост. Пенетрантность этого признака у их потомков составляла 16,7%, а у потомства родителей, имевших "поросячий хвост", — 24%. Таким образом, этот признак может быть охарактеризован как рецессивный с неполной пенетрантностью. У собак достаточно часто встречаются видоизменения хвостов в виде их укороченности, разнообразных изломов и изгибов. Известно, что наследование этих дефектов носит достаточно сложный характер и не всегда поддается простому генетическому анализу. Учитывая закон гомологических рядов Н.И. Вавилова, можно легко допустить, что аномалии хвостов собак также являются признаком с неполной пенетрантностью. Признаком с неполной пенетрантностью является полидактилия кошек (избыточное количество пальцев). Кошки, несущие этот ген (Pd), проявляют эту аномалию меньше, чем в половине случаев. В достаточно большой популяции и для достаточной частоты гена в ней пенетрантность может быть выражена в процентах. Так, как указывает И. Шустрова (1997), ген белого окраса кошек W оказывается полностью пенетрантным в отношении окраса (100%) и не полностью пенетрантным в отношении сопутствующих белому окрасу голубог-лазости (около 70%) и глухоты (около 40%).

27.Эпигенетическая изменчивость. Значение этих форм изменчивости в эволюции и селекции.

Эпигенетическим наследованием называют наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, вызываемые механизмами, отличными от изменения последовательности ДНК (эпи – дополнение). Такие изменения могут оставаться видимыми в течение нескольких клеточных поколений или даже нескольких поколений живых существ. Пример: процесс дифференцировки клеток. В течение морфогенеза тотипотентные стволовые клетки становятся плюрипотентными линиями клеток, которые в тканях эмбриона затем превращаются в полностью дифференцированные клетки. Единственная клетка — зигота — оплодотворенная яйцеклетка дифференцируется в различные типы клеток: нейроны, мышечные клетки, эпителиальные клетки, клетки кровеносных сосудов и многие другие. В процессе дифференцировки активируются одни гены и инактивируются другие.

Механизмы эпигенетического наследования:

метилирование ДНК;

ремоделирование хроматина;

РНК-интерференция (на уровне РНК);

прионизация белков;

инактивация X-хромосомы.

Ремоделирование хроматина может инициироваться посттрансляционной модификацией аминокислот гистонов, например, их метилированием и химической модификацией азотистых оснований, например, метилированием цитозина.

Посттранскрипционная регуляция

Иногда результат транскрипции гена напрямую или косвенно регулирует активность того же гена. Например, факторы транскрипции Hnf4 и MyoD усиливают экспрессию многих генов в печени и мышцах. Другие эпигенетические изменения регулируются при экспрессии разных сплайсосомных вариантов мРНК или при формировании двуцепочечных молекул РНК (RNAi). Эти гены зачастую включаются и выключаются с помощью сигнальных систем клетки, но иногда в синцитии РНК передаётся между клетками путём диффузии.

В настоящее время не подлежит сомнению важная роль эпигенетической наследственной изменчивости в таких фундаментальных общебиологических проблемах, как индивидуальное развитие организмов, механизмы экспрессии генов, возникновение рака и эволюция.

Под эффектом положения понимают изменение фенотипического эффекта гена в зависимости от расположения соседних с ним генов. Под парамутацией понимают такое взаимодейстие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, которое приводит к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей. Бринк наблюдал наследуемое уменьшение активности отдельных r аллелей у кукурузы под влиянием других r аллелей, контролирующих образование пигмента антоциана. В результате активных исследований последних лет установлено, что уменьшенная транскрипция генов является наследственным состоянием, но она может переключаться на более высокий уровень, и этот эффект зависит от гена, наличия других аллелей и генетического окружения. Предполагается, что парамутация также связана с наследственными изменениями структуры хроматина, проявляющимися через дистантные цис- и транс- взаимодействия генов. Под трансвекцией понимают такое взаимодействие гомологичных генов, при котором один ген оказывает прямое влияние на функцию другого путем спаривания гомологов. Несмотря на то, что этот феномен часто рассматривается как аллельный процесс транскрибируемых генов, он может быть применим как к неаллельным взаимодействиям, так и к локусам, функции которых не связаны с транскрипцией. изменение экспрессии генов может быть связано с эпигенетическими событиями, протекающими не только в клеточном ядре, но и в цитоплазме. Таким образом, эпигенетическую наследственность можно разделить на ядерную и внеядерную (цитоплазматическую). У растений, например, известно явление косупрессии, или посттранскрипционное выключение гена, связанное с посттранскрипционной цитоплазматической модификацией двуспиральной РНК (dsRNA) [8]. Двуспиральная РНК с помощью пока еще не ясного биологического превращения распадается на короткие кусочки - интерферирующую РНК (siRNA), которая запускает деградацию соответствующей матричной РНК. Процесс такой специфической деградации определенных последовательностей информационной РНК, инициированный двуспиральными молекулами РНК, гомологичными к выключаемому гену, и приводящий к выключению его экспрессии, получил название «РНК-интерференции» (RNAi). Она была найдена не только у растений, но и у других организмов, в частности у простейших, грибов и круглых червей – нематод.

В основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в CpG-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов. Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении.

Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью 4 ДНК-метилтрансфераз (Dnmts) -Dnmtl, Dnmt2, Dnmt3A и Dnmt3B. Dnmtl поддерживает специфический рисунок метилирования в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные. Установлено, что клональные популяции гистологически однородных клеток могут не иметь однородный характер метилирования, и поэтому не исключено, что неточность соматической эпигенетической маркировки отдельных генетически идентичных клеток может лежать в основе их фенотипического разнообразия и, возможно, достаточно ярко выраженной внутривидовой морфофизиологической вариабельности. Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, причем именно эта причина лучше объясняет особенности их возникновения, чем вариации в последовательностях ДНК, включая однонуклеотидные замены оснований. Поддержка нужного статуса метилирования генома является непременным условием нормального развития у мышей, а аберрантное метилирование связано с возникновением опухолей и аномалий развития у человека. Эмбрионы мышей с направленными гомозиготными мутациями гена Dnmtl плохо развивались и погибали в середине беременности. Dnmt2 необходима для эпигенетического контроля функции центромер, a DnmtSA и 3В - для метилирования de novo ДНК в ходе эмбриогенеза.

В последние годы стало ясно, что механизм компактизации-декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией-дерепрессией локализованных в нем генов, и установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификации хроматина - так называемые «хроматиновые болезни». Показано, что к метилированной ДНК присоединяются белки, распознающие метилированные основания благодаря наличию в них особых метил-СрО-связывающихся доменов. Известны 4 вида таких белков - МеСР2, MBD1, MBD2 и MBD3. В частности, белок МеСР2 содержит домен, репрессирующий транскрипцию, который ассоциирует с корепрессорным комплексом, содержащим репрессор транскрипции (mSin3 А) и деацетилазу гистонов (HDAC1). Деацетилирование гистонов, в частности Н4, является важным компонентом механизма репрессии. Оно ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции. Ацетилирование гистонов, наоборот, снимает репрессию. В 1999 г. появилось сообщение о том, что мутации в Х-сцепленном гене МеСР2 ответственны за синдром Ретта. Это тяжелое неврологическое заболевание детского возраста, проявляющееся преимущественно у девочек регрессией развития, деменцией, аутизмом и стереотипными движениями рук, было описано А. Реттом в 1966 г. Предполагается возможная связь других заболеваний человека с мутациями генов, кодирующих ферменты и белки, участвующие в ремоделировании структуры хроматина.