Морская свинка (Cavia porcellus) как модельный объект генетических исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ.М.АКМУЛЛЫ»

ЕСТЕСТВЕННО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра генетики

Специальность генетика

Курс II

«Морская свинка (Cavia porcellus), как модельный объект генетических исследований»

Юсупова Дилара Ришатовна

Проверил: к. б. н.,

доцент О.В. Гумерова

Уфа-2015

1. Биология объекта

Морские свинки (Cavia), род грызунов семейство свинковых. Длина тела до 35 см; хвост снаружи не заметен. Задние конечности трехпалые. Обитают на открытых пространствах Южной Америки (к Южной до Северной части Аргентины), включая болотистые окраины лесов. Держатся поодиночке или небольшими группами. Роют норы или занимают чужие. Активны ночью и в сумерках. Половозрелость в 55--70 дней. Беременность 60-- 70 дней. Детенышей 1--4. Размножаются весь год. Продолжительность жизни около 8 лет. Морская свинка (С. porcellus) одомашнена инками (использовали мясо). В 16 веке завезена в Европу (отсюда название-- заморская свинка, измененное позже на морскую свинку); лабораторное животное; выведено много пород, различающихся размерами, окраской и строением меха.

2. Систематическое положение

Царство: Animalia (Животные)

Раздел: Bilateria (Двусторонне-симметричные, билатеральные)

Подраздел: Deuterostomia (Вторичноротые)

Тип: Chordata (Хордовые)

Класс: Mammalia (Млекопитающие)

Отряд: Rodentia (Грызуны)

Семейство: Caviidae (Свинковые, или морские свинки)

Род: Cavia (Свинки морские)

Вид: Cavia porcellus (Свинка морская)

3. Жизненный цикл

Жизненный цикл морской свинки делят на 4 периода. Первый период начинается в момент рождения животного и длится 21 день. Маленькие зверьки не покидают гнезда, питаясь молоком матери. Средняя продолжительность жизни морских свинок далеко не всегда является предельной. Очень часто при правильном уходе морские свинки живут по 12-15 лет. К концу 2-й недели жизни у самок появляются соски.

Второй период начинается на 25-й день с момента рождения и может длиться 4-5 мес. В это время маленьких свинок рассаживают по клеткам, и они начинают кормиться самостоятельно. Зверьки быстро растут, у них уже заметны вторичные половые признаки. Животные начинают лучше координировать свои движения. По прошествии 3 месяцев с момента рождения самцы становятся значительно крупнее самок.

Третий период - один из самых важных в жизни свинки. На 6-й месяц животное достигает максимального размера, развитие его половых органов завершается, и у зверька появляется способность к репродуктивной деятельности в течение 40 месяцев. В это время у свинок окончательно формируется шерстка, а зубы становятся белыми.

Соотношение между возрастом и размером тела зверька: а - новорожденный - 10 см; б - 5 нед - 19 см; в - 5 мес - 23 см; г - взрослая морская свинка - 27 см

Четвертый период может начаться на 4-й год жизни морской свинки и закончиться на 8-10-й. В это время у животного постепенно нарушаются репродуктивные и двигательные функции. Если на 4-м или 5-м году жизни у морской свинки появляется приплод, существует большая вероятность того, что он будет нежизнеспособным и малочисленным. На 5-м и 6-м году жизни течки у самок становятся редкими и нерегулярными. К 7-му году у грызунов шерстка седеет и редеет, а когти искривляются. Зубы старой свинки теряют белизну и начинают постепенно разрушаться.

На последнем году жизни мышцы и внутренние органы животного атрофируются.

4. Мутантные формы Cavia porcellus

Сегодня в мире имеется более 80 пород и разновидностей свинок. Дикий предок современной свинки, -- гладкошерстый зверек окраса агути (схожего с обычным кроличьим). Все известные в настоящее время породы морских свинок произошли в результате мутаций этого естественного окраса, формула которого AABBCCEEPP. Значение этих буквенных символов следующее:

* А - агути-фактор;

* В - фактор коричневого окраса;

* С - фактор интенсивности окраса;

* Е - фактор распространенности окраса, который отвечает за расположение черного и красного окрасов по поверхности тела;

* Р - фактор розовых глаз, отвечающий также за ослабление окраса.

Агути-фактор

В настоящее время известны следующие мутации фактора А у морских свинок:

* a(r) - сплошной окрас агути с типпингом на животе;

* а - сплошной окрас (не-агути).

Фактор коричневого окраса

У фактора В существует только одна мутация:

* b - коричневый окрас и рубиновый оттенок глаз.

Фактор интенсивности окраса

Мутации фактора С уменьшают пигментацию кожи, шерсти и глаз у морских свинок. Причем красный (желтый) пигмент подвержен более сильному влиянию, чем черный (коричневый). У фактора С существуют следующие мутации:

* с(d) - легкое ослабление окраса: черный - до бурого или серого, красный - до желтого;

* c(k) - легкое ослабление, выраженное несколько в большей степени, чем в предыдущем случае;

* c(r) - ген, подавляющий красный пигмент;

* c(a) - гималайский ген, отвечающий за гималайские отметины;

* с - мутация, которая у других животных отвечает за появление альбиносов, у морских свинок не известна; белые свинки с красными глазами (фенотипические альбиносы) имеют генотип c(a)e.

Фактор распространенности окраса

Фактор Е влияет на соотношение черного (коричневого) и красного (желтого) пигментов и их распространение по поверхности тела морской свинки. Известны следующие мутации данного фактора:

* е(p) - частичное распространение пигмента; морские свинки имеют красную и черную шерсть (черепаховый и пестрый окрас, японские отметины);

* е - присутствует только красный пигмент и его ослабленные варианты (золотой, саффрон, буфф, кремовый и белый).

Фактор розовых глаз

Фактор Р влияет только на пигментацию (черный (коричневый) - красный), ослабляя окрас шерсти зверька, а также отвечает за красный цвет глаз. Известны следующие мутации данного гена:

* p(r) - красные или темные глаза у свинок с золотистым окрасом;

* р - красные глаза, а также ослабление окраса до лилового, бежевого и кремового.

Фактор

Он отвечает за наличие у морских свинок белых пятен. Известны следующие мутации этого гена:

* S - отсутствие белых пятен;

* s(s) - менее 50% поверхности белой шерсти;

* s - более 50% поверхности белой шерсти.

Фактор rs

Он ответственен за далматинскую или чалую окраску морских свинок. Кроме того, этот фактор называется летальным, поскольку гомозиготы RsRs нежизнеспособны: животные с чалым или далматинским окрасом несут один летальный ген (Rsrs). Так, в результате спаривания двух далматинских или чалых свинок ген Rs перейдет в гомозиготное состояние, что приведет к появлению на свет белых детенышей с деформированными конечностями.

В большинстве случаев такие свинки погибают сразу после рождения. Поэтому далматинских или чалых морских свинок можно спаривать только со зверьками, окрашенными в однотонный цвет.

Итак, фактор Rs дает следующие мутации:

* RsRs - нежизнеспособное потомство;

* Rsrs - далматинский или чалый окрас морских свинок.

Формулы окрасов морских свинок:

ААВВССЕЕРР - дикий окрас агути, все гены доминантные;

a(r)a(r)BBCCEEPP - золотистый окрас;

ААВВССе(p)е(p)РР - окрас агути с красными пятнами;

ААbbССЕЕРР - шоколадно-красный агути;

ААВВс(r)с(r)ЕЕРР - темно-серебристый окрас;

aаbbс(r)сr(d)ЕЕРР - шоколадно-серебристый окрас;

AABbc(r)c(d)EePP - черно-желтый окрас;

aabbc(r)c(d)EEPP - кремовый агути (и т.д.)

Так же свинки различаются по длине шерсти: она может быть обычной короткой, плотной и гладкой, может быть длинной (кстати, различной текстуры), розеточной (за счет измененного роста волос на шерсти свинки образуются «завихрения» -- розетки). Если такие розетки сконцентрированы на шее и загривке животного, свинка именуется гривистой. Розеточная шерсть может быть как длинной, так и короткой. Существует еще одна редкая вариация -- сатиновая шерсть. Это шерстка плотно прилегающая, нежная и шелковистая, так что животное смотрится как переливающийся комочек.

5. Генетическая характеристика

Морская свинка обладает 32-мя парами хромосом. Таким образом получаем что общее число хромосом у морской свинки 64 шт о своему генотипу морские свинки являются диплоидными животными, то есть, живыми существами с двумя гомологичными наборами хромосом (2n). Общее количество хромосом -64. Как правило, чистопородная морская свинка является гомозиготной, а та, что родилась в результате скрещивания 2 или нескольких пород, - гетерозиготной.

Несмотря на то, что инфузории, как и другие простейшие, размножаются делением надвое, такой процесс не может быть вечным -- периодически между инфузориями происходит процесс обмена генетическим материалом, и здесь был выявлен довольно интересный факт: оказалось, этот удивительный микроорганизм имеет семь полов. Каждый из которых, обозначаемых римскими цифрами от I до VII, определяется геном mat. Этот ген имеет 14 аллелей, которые делятся на две группы, A и B: в распоряжении аллелей группы A все варианты, кроме IV и VII, у группы B -- все, кроме I. Каждый из полов может скрещиваться с любым другим, кроме своего собственного. Популяция, состоящая из множества полов, более устойчива к резким изменениям численности одного из полов. Ученые Калифорнийского университета в ходе изучения генома пресноводной инфузории, сделали несколько интересных выводов [Alfred M. Elliott Biology of Tetrahymena. -- 1973].

Во-первых, речь идет о размере генома - не только о длине (105 миллионов пар оснований), но и о числе генов (свыше 27 тысяч генов), что еще раз подтвердило отсутствие взаимной корреляции между сложностью организма и количеством генов в геноме.

Во-вторых, о низком проценте повторяемости нуклеотидных последовательностей (около 2%), хотя в последнее время появилось мнение, что эти участки генов отнюдь не бесполезны. Существуют мнения, что некоторые из этих последовательностей важны для регуляции экспрессии генов, или же многочисленные повторы и мобильные элементы придают геному пластичность и повышают вероятность различных геномных перестроек.

Третья особенность заключается в том, что в геноме тетрахимены используется один стоп-кодон, роль которого выполняет последовательность нуклеотидов УГА. Тетрахимена -- единственный из изученных на сегодняшний день организмов, у которого могут транслироваться все 64 триплета.

морской свинка модельный экспериментальный

6. Tetrahymena -- модельный организм в экспериментальной биологии

Тетрахименам свойственен ядерный дуализм: у неё имеется два типа ядер -- большое, соматическое (макронуклеус), и малое, половое (микронуклеус), которые находятся в клетке одновременно и имеют различные функции. Tetrahymena также имеет тысячи ресничек и сложные структуры цитоскелета (пелликулу, инфрацилиатуру и др.), что делает ее идеальным модельным объектом для изучения систем цитоскелета.

Так как модельные виды Tetrahymena легко выращивать в больших количествах в лабораторных условиях, это отличный объект для биохимического анализа ферментов и выделения компонентов клетки. Разработаны молекулярно-генетические методы, которые позволяют модифицировать ДНК, убирать и встраивать гены путем гомологичной рекомбинации, индуцировать и репрессировать экспрессию генов, что делает тетрахимену идеальным объектом для изучения функции генов in vivo. После полного секвенирования генома макронуклеуса («начерно» осуществленного в 2006 г) Tetrahymena может быть использована как модельная система и в постгеномный период молекулярной биологии.

Изучение Tetrahymena внесло вклад в многие разделы биохимии и молекулярной биологии и позволило сделать ряд открытий:

Это были первые эукариотические клетки, чье деление удалось синхронизировать, что позволило начать изучение механизмов контроля клеточного цикла;

Выделены и очищены первые двигательные белки цитоскелета, например, динеин, и определена его двигательная активность;

Исследованы детали работы лизосом и пероксисом;

Ранние молекулярные описания перестройки соматических генов;

Открытие молекулярной структуры теломер, фермента теломеразы, участвующей в поддержании структуры хромосом;

Открытие каталитических РНК (рибозимов);

Открытие роли ацетилирования гистонов в транскрипции;

Показана роль механизма, подобного РНК-интерференции, в формирования гетерохроматина;

Показана роль посттрансляционной модификации (гликозилирование и ацетилирование) тубулинов и идентифицированы некоторые ферменты, отвечающие за модификацию (глутаминирование) тубулинов;

Показано, что единственный стоп-кодон УГА у тетрахимены может кодировать аминокислоту селеноцистеин (таким образом, тетрахимена оказалась первым организмом, у которого возможно считывание при транскрипции всех 64 кодонов).

7. Открытие каталитических РНК (рибозимов)

Рибозим (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим»), также называемая ферментативной РНК или каталитической РНК -- это молекула РНК, обладающая каталитическим действием. Многие рибозимы естественного происхождения катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК, кроме того образование пептидной связи в белках происходит при помощи рРНКрибосомы. В рамках исследований, посвященных происхождению жизни, удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимеразы, способные при определенных условиях катализировать свою собственную сборку. Первые лабораторные образцы показали невысокую каталитическую способность: они успевают собрать в цепочку не более 14 нуклеотидов за 24 часа, по истечении которых они разлагаются за счет гидролиза фосфодиэфирных связей, однако результат постепенно улучшается: в 2011 году достигнуто значение в 95 нуклеотидов.

Открытие

До открытия рибозимов ферменты -- белки, обладающие каталитическими свойствами, -- считались единственными органическими катализаторами. В 1967 году Карл Вёзе, Френсис Крик и Лесли Оргель впервые выдвинули предположение, что РНК может быть катализатором. Это предположение основывалось на том, что РНК может образовывать сложную вторичную структуру. Сейчас известно, что рибозимы и многие другие молекулы РНК имеют сложную третичную структуру.

Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК уинфузории Tetrahymena thermophila, и Сидни Альтманом, работавшим с бактериальной рибонуклеазой P.

Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК. Каталитическая активность также была обнаружена в РНК-субъединице комплекса рибонуклеазы P, участвующей в обработке пре-тРНК (впоследствии Альтман доказал, что эта активность может обеспечиваться рибозимом без участия белков).

В 1989 году Чек и Альтман получили Нобелевскую премию по химии за «обнаружение каталитических свойств РНК».

Термин рибозим был введён Келли Крюгер и др. в статье, опубликованной в журнале Cell в 1982 году.

Действие

Несмотря на то, что большинство рибозимов достаточно редко встречаются в клетках, иногда они очень важны для их существования. Например, активная часть рибосомы -- молекулярной машины, осуществляющей трансляцию белков из РНК -- является рибозимом.

В качестве кофакторов некоторые рибозимы часто содержат двухвалентные ионы металлов, например, Mg2+.

То обстоятельство, что РНК может содержать наследственную информацию, позволило Уолтеру Гилберту выдвинуть предположение, что в древности РНК использовалась как в качестве генетического материала, так и в качестве катализаторов и структурных компонентов клетки, а впоследствии эти роли были перераспределены между ДНК и белками. Эта гипотеза сейчас известна как Гипотеза мира РНК.

Если РНК были первыми молекулярными машинами, использовавшимися в ранних живых клетках, то рибозимы, существующие сегодня (например, аппарат рибосомы), могут считаться живыми ископаемыми -- образцами живых существ, состоящих из нуклеиновых кислот.

Недавние исследования свертывания прионов показывают, что РНК может катализировать свёртывание белка в патологические конфигурации подобно ферментам-шаперонам.

Размещено на Allbest.ru