Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство аграрной политики Украины

Луганский национальный аграрный университет

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

Общая и ветеринарная

генетика

для иностранных студентов 1 курса

факультета ветеринарная медицина

Луганск-2006.

Лекция 1 Предмет ветеринарная генетика и ее задачи. Генетика популяций

Генетика (от греч. genesis - происхождение) - наука о наследственности и изменчивости организмов. Наследственность - свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обусловливать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды. Изменчивость - это возникновение различий между организмами по ряду признаков и свойств.

Наследственность, изменчивость и отбор - основа эволюции. Мутации поставляют первичный материал для эволюции, а в результате отбора сохраняются положительные признаки и свойства, которые благодаря наследственности передаются из поколения в поколение.

Знание закономерностей наследственности и изменчивости способствует более быстрому созданию новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов.

С.М.Гершензон выделяет четыре основные проблемы, изучаемые генетикой:

Проблема хранения генетической информации (где и каким образом закодирована генетическая информация);

Проблема передачи генетической информации от клетки к клетке, от поколения к поколению;

Проблема реализации генетической информации в процессе онтогенеза;

Проблема изменения генетической информации в процессе мутаций.

Ветеринарная генетика - это раздел генетики животных, изучающий наследственные аномалии и болезни с наследственным предрасположением, а также разрабатывающий методы диагностики, профилактики и селекции на устойчивость к болезням.

Задачи ветеринарной генетики:

Изучение наследственных аномалий;

Разработка методов выявления гетерозиготных носителей наследственных аномалий;

Контролирование распространения вредных генов в популяциях и их элиминация;

Изучение генетики иммунитета;

Изучение болезней с наследственным предрасположением;

Разработка методов раннего выявления устойчивости и восприимчивости организма к болезням, в том числе при отсутствии инфекционного фона;

Создание резистентных к болезням и приспособленных к промышленной технологии стад, линий, пород.

Методы изучения генетики

Цитогенетический метод служит для изучения строения хромосом, их репликации и функционирования, хромосомных перестроек и изменчивости числа хромосом. С помощью цитогенетики выявляют различные болезни и аномалии, связанные с нарушением в строении хромосом и изменением их числа.

Гибридологический анализ основан на использовании системы скрещиваний в ряде поколений для определения характера наследования признаков и свойств. Он включает так называемый рекомбинационный метод, который основан на явлении кроссинговера - обмена идентичными участками в хроматидах гомологических хромосом в профазе 1 мейоза. Этот метод используют для составления генетических карт, а также для создания рекомбинантных молекул ДНК, содержащих генетические системы различных организмов.

Генеалогический метод заключается в использовании родословных для изучения закономерностей наследования признаков, в том числе наследственных болезней. Этот метод в первую очередь применяется при изучении наследственности человека и медленно плодящихся животных.

Близнецовый метод применяют при изучении влияния определенных факторов внешней среды и их взаимодействия с генотипом особи, а также для выявления относительной роли генотипической и модификационной изменчивости в общей изменчивости признака.

Мутационный метод (мутагенез) позволяет установить характер влияния мутагенных факторов на генетический аппарат клетки, ДНК, хромосомы, на изменения признаков или свойств. Используют в микробиологии для создания новых штаммов бактерий. Он нашел применение в селекции тутового шелкопряда.

Популяционно-статистический метод применяется при обработке результатов скрещиваний, изучении связи между признаками, анализе генетической структуры популяций, распространении генетических аномалий в популяциях.

Иммуногенетический метод включает серологические методы, иммуноэлектрофорез и другие, которые используются для изучения групп крови, белков и ферментов сыворотки крови и тканей. С его помощью можно установить иммунологическую несовместимость, выявить иммунодефициты, мозаицизм близнецов.

Феногенетический метод позволяет установить степень влияния генов и условий среды на развитие изучаемых свойств и признаков в онтогенезе. При изучении явлений наследственности и изменчивости используют биохимический, физиологический и другие методы.

Биометрический метод представляет собой ряд математических приемов, позволяющих определить степень достоверности полученных данных, установить вероятность различий между показателями опытных и контрольных групп животных. Составной частью биометрии являются закон регрессии и статистический закон наследуемости, установленные Ф.Гальтоном.

Развитие науки генетики связывают с именами таких ученых, как Г. де Фриз, К.Корренс и Э.Чермак, переоткрывших в 1900 году законы Г. Менделя (1865); Т.Г.Морган, создавший хромосомную теорию наследственности; Г. Меллер, широко развернувший работу по искусственному мутагенезу; О. Эвери (1944), доказавший ведущую роль ДНК в сохранении и передаче информации (начало развития молекулярной генетики); Ф.Крик и Д.Уотсон (1953), разработавшие модель структурной формулы молекуды ДНК; М. Ниренберг и С. Очао (1961-1965), расшифровавшие генетический код; Г. Коран (1969), синтезировавший химическим путем участок молекулы ДНК. Академик Л.К.Эрнст внес большой вклад в становление ветеринарной генетики.

В настоящее время генетика занимается изучением следующих основных проблем:

Проводятся обширные исследования в области генетической инженерии с целью получения в достаточном количестве инсулина, интерферона, антибиотиков, витаминов, незаменимых аминокислот, кормовых и пищевых белков, биологических средств защиты растений;

Регуляция и управление действием генов в онтогенезе;

Ставится задача разработать методы управления процессами мутаций, что даст возможность получать нужные наследственные изменения при создании новых штаммов микроорганизмов, сортов растений, линий и пород животных;

Изучается проблема регуляции пола у животных;

Ведутся перспективные исследования по клонированию животных;

Необходимо решить проблему защиты наследственности человека и животных от мутагенного действия радиации и химических мутагенов среды;

Исследуются вопросы борьбы с наследственными болезнями у человека и животных, создания линий, пород, устойчивых к болезням.

В центре внимания современной генетики находится такой важный ее раздел, как медицинская генетика (генетика человека).

Генетика популяций

Популяционная генетика - это наука, определяющая новые подходы научного анализа теории эволюции видов и служащая теоретической основой для проведения эффективной селекционной работы с животными, растениями, микроорганизмами, что позволяет дать обоснование для правильного подхода в изучении генетики человека, в связи с необходимостью вести борьбу с наследственными болезнями.

Роданачальниками популяционной генетики являются датский физиолог В.Иоганнсен (1903), который впервые показал, что следует различать фенотипическую и генотипическую изменчивость и ввел термины «фенотип» и «генотип»; английский математик Г.Харди и немецкий врач В. Вайнберг (1908), которые установили математическую закономерность постоянства генотипического состава панкмитических популяций; Н.П.Дубинин (1934) показал, что процесс мутирования и мутабельность организмов имеют адаптивное значение для популяции.

Популяцией называется совокупность множества особей биологического вида, обитающих в определенном ареале и составляющих сообщество. По Н.В. Тимофееву-Ресовскому, популяция - это совокупность особей данного вида, в течение длительного времени (большого числа поколений) населяющая определенное пространство, состоящая из особей, могущих свободно скрещиваться друг с другом, и отделенная от таких же соседних совокупностей одной из форм изоляций (пространственной, сезонной, физиологической, генетической). Каждая популяция характеризуется своим определенным генофондом, т.е. совокупностью аллелей, входящих в ее состав. Популяция состоит из животных разных генотипов. Эффективность отбора в ней зависит от степени генетической изменчивости - соотношения доминантных и рецессивных генов.

Чистая линия - это потомство, полученное только от одного родителя и имеющее с ним полное сходство по генотипу. Высокогомозиготных линий мышей, крыс и других лабораторных животных создают в целях проведения экспериментов, например, для проверки на мутагенность препаратов, оценки вакцин.

Генетическая структура популяций определяется концентрацией каждого гена (или его аллелей) в популяции, характером генотипов и частотой их распространения.

Генетическую структуру популяций принято выражать частотой аллелей каждого локуса и частотой гомозиготных и гетерозиготных генотипов. Соотношение частот аллелей и генотипов в популяции проявляет определенную закономерность в каждый конкретный отрезок времени и по поколениям организмов. Взаимодействие генов разных локусов между собой также оказывает влияние на генетическую изменчивость популяции и называется коадаптацией генов. Генетическая структура каждой панкмитической (генетической) популяции сохраняется в ряде поколений до некоторых пор, пока какой-либо фактор не выведет ее из равновесного состояния. Сохранение исходной генетической структуры, то есть частоты аллелей и генотипов в ряде поколений, называется генетическим равновесием. Популяция может иметь равновесие по одним локусам и неравновесное состояние по другим. При переходе популяции в неравновесное состояние изменяются уровни частот аллелей и генотипов, складывается новое соотношение между гомозиготными и гетерозиотными генотипами. Это равновесие зависит от типов скрещивания и размножения (в т.ч. инбридинг), воздействия отбора (искусственного и естественного), мутационного процесса, факторов среды, миграции особей.

Закон Харди-Вайнберга для панкмитических популяций

Суть закона Харди-Вайнберга заключается в том, что в популяции при свободном скрещивании сохраняется постоянство генетической структуры при постоянстве частоты генотипов, что выражается коэффициентами частот разложения бинома. Сохранение в потомстве той же генетической структуры, что и в исходном поколении, называется равновесным генетическим состоянием популяции.

Закон равновесия по соотношению генотипов ученые выразили формулой: p2AA+2pqAa+q2aa , где р- частота доминантного гена А, q - частота рецессивного аллеля а. Правило Харди-Вайнберга: при отсутствии факторов, изменяющих частоты генов, популяции при любом соотношении аллелей от поколения к поколению сохраняют эти частоты аллелей постоянными. По этой формуле можно рассчитать структуру популяции и определить частоты гетерозигот, проанализировать сдвиги в генных частотах по конкретным признакам и результате отбора, мутаций и других факторов. Популяция находится в равновесии только тогда, когда в ней не происходит отбора. Скрещивание, восстанавливающее соотношение генотипов в популяции в соответствии с формулой Харди-Вайнберга, получило название стабилизирующего. Можно применять так называемое анализирующее скрещивание. Для этого животное с неизвестным, но предполагаемым генотипом (АА или Аа) спаривают с животным, имеющим рецессивный генотип (аа), фенотипически проявляющийся при визуальном обследовании. В этом случае возможны два варианта генотипов потомства: если испытуемое животное имеет гетерозиготный генотип (Аа), то ожидаемое расщепление 1:1=Аа:аа; если испытуемое животное гомозиготно по доминантному аллелю (АА), то расщепления не наблюдается и генотип потомков Аа фенотипически будет соотвествовать АА.

Из закона Харди-Вайнберга следует, что редкие аллели, особенно рецессивные, присутствуют в популяции чаще всего в гетерозиготном состоянии.

Факторы, влияющие на структуру популяций

естественный и искусственный отбор. По С.М.Гершензону, критерием интенсивности естественного отбора служит разность приспособленности сравниваемых групп, называемая коэффициентом отбора и выражаемая в долях единицы. Например, если вероятность оставления потомства особями с генотипом аа, на 10% меньше, чем особями с генотипом АА или Аа, то приспособленность этих двух групп для особей АА и Аа равна 1, для особей аа - 0,9. При искусственном отборе определяющее значение имеют признаки продуктивности.

Мутации. С точки зрения ветеринарной генетики имеет значение эффективность отбора против вредных мутаций, прежде всего рецессивного типа. Анализ показывает, что высокие частоты рецессивного мутантного гена путем отбора могут быть быстро снижены до низких значений. Чтобы снизить частоту летального гена, например с 0,3 до 0,2, достаточно двух поколений. Судьба генных и хромосомных мутаций зависит от влияния отбора, силы его давления и направления.

Дрейф генов. Наиболее интенсивно дрейф генов протекает в малых популяциях. Это значит, что структура популяции может изменяться в силу случайных генетико-автоматических процессов.

Миграции генов. На практике дрейф означает завоз животных, особенно производителей или их спермы, из других стран. Так, экспорт голштинов из США в ФРГ способствовал распространению пупочных грыж у немецкого черно-пестрого скота, что могло привести к распространению нежелательной мутации в других популяциях.

Инбридинг. Это спаривание животных, находящихся в родственных отношениях. Каждое животное в генотипе имеет аллельные гены как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии. В гетерозиготе обычно находятся вредные мутантные рецессивные гены. При инбридинге возрастает вероятность слияния тождественных гамет, несущих мутантные гены в гетерозиготном состоянии, и перехода их в гомозиготное состояние. Эта вероятность пропорциональна степени родства спариваемых животных. Повышение гомозиготности у потомства при разных степенях родственных отношений родителей определяется по несколько измененной формуле С.Райта

Fx=[(1/2)n+n1-1 x (1+fa)]

Fx - коэффициент инбридинга потомка, n- ряд родословной с материнской , n1 - ряд родословной с отцовской стороны, где находится общий предок, fa - коэффициент инбридинга общего предка.

Особенности наследования количественных признаков.

В генетике выделяют два класса признаков - качественные и количественные. Количественные признаки не дают четких границ расщепления при разных вариантах скрещивания, хотя отличаются от качественных более высокой степенью изменчивости. Особенностью количественных признаков является сложный характер наследования. Каждый из них контролируется не одним, а множеством локусов в хромосомах. Такой тип наследования, когда один признак обусловливается многими генами, носит название полимерии. Уровень развития количественного признака зависит от соотношения доминантных и рецессивных генов, других генетических факторов и степени модифицирующего действия факторов внешней среды. Изменчивость по количественному признаку в популяции складывается из генетической и паратипической (внешнесредовой) изменчивости.

Для оценки эффективности отбора по количественным признакам в популяционной генетике введено понятие наследуемости - степени генетической детерминации признака в фенотипе. То есть определяют, в какой степени уровень развития признака зависит от генотипа родителей, и в какой степени от условий внешней среды. Выражают это через коэффициент наследуемости: h2=2r, h2 - коэффициент наследуемости; r - корреляция по количественному признаку между прямыми родственниками, например мать-дочь (м/д) - для количественных признаков; или h2=2R д/м, где R - коэффициент регрессии между фенотипами прямых родственников - для качественных признаков. Для оценки степени наследования устойчивости животных к болезням можно использовать коэффициенты наследуемости, определяемые как для количественных признаков.

Д.В.Карликов разработал полигенную модель наследования устойчивости к лейкозу и производил расчеты коэффициента наследуемости по этому признаку по формуле h2=br, где r - коэффициент родства больных животных с их родственниками; b - регрессия, определяемая по отношению b=(R-G): (A-G), где G - средняя подверженность популяции к лейкозу, A - средняя подверженность больных животных в популяции; R - средняя подверженность родственников больных животных.

Методы изучения популяций

Метод генетического анализа, при котором изучают фенотипические качества родителей и потомства, при этом выясняют характер наследования отдельных признаков в группах потомков;

Метод цитогенетического анализа кариотипа у особей популяции (выявление хромосомных аномалий, влияющих на прогресс популяции). Этот метод важен при оценке производителей для предотвращения распространения хромосомных дефектов;

Эколого-физиологический метод - позволяет установить влияние факторов среды на состояние популяции и степень реализации генетического потенциала в фенотипическом проявлении признаков, что может быть установлено по физиологическим, интеръерным и экстеръерным признакам.

Математический метод (в том числе и биометрия) - позволяет выразить состояние и динамику генетической структуры, определить степень влияния генетических факторов на фенотипическое проявление признака.

Лекция 2 Цитологические основы наследственности

Эукариотическая клетка (клетка грибов, растений и животных) является основной единицей живого и способна размножаться, видоизменяться и реагировать на раздражения. Она покрыта цитоплазматической мембраной, которая играет важную роль в регулировании состава клеточного содержимого, так как через нее проникают все питательные вещества и продукты секреции.

Цитоплазма находится внутри цитоплазматической мембраны, но вне ядра и представляет собой гиалоплазму (жидкую часть) и эргастоплазму (органеллы). Органеллы по строению делят на мембранные и немембранные. Мембранами образована эндоплазматическая сеть (ЭПС), заполняющая большую часть цитоплазмы, митохондрии, аппарат Гольджи и лизосомы. Существует два типа ЭПС: гранулярная, к мембранам которой прикреплено множество рибосом - мелких рибонуклеопротеидных частиц, служащих местом синтеза белка, и агранулярная, состоящая из одних только мембран.

Митохондрии - тельца величиной 0,2-5 мкм (микрометров), форма которой варьирует от сферической до палочковидной и нитевидной. Митохондрии сосредоточены в той части клетки, где обмен веществ наиболее и интенсивен. Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной; внешний слой мембраны образует гладкую наружную поверхность, а от внутреннего слоя отходят многочисленные складки - кристы. Кристы содержат ферменты, участвующие в системе переноса электронов, которая играет важнейшую роль в превращении энергии питательных веществ в биологически полезную энергию, необходимую для осуществления клеточных функций. Полужидкое внутреннее содержимое митохондрии - матрикс - тоже содержит ферменты. Митохондрии, главная функция которых состоит в вырабатывании энергии, образно называют электростанциями клетки.

Комплекс Гольджи - компонент цитоплазмы, встречающийся почти во всех клетках, кроме зрелых спермиев и красных кровяных телец (эритроцитов), - представляет собой неупорядоченную сеть канальцев, выстланных мембранами. Обычно он расположен около ядра и окружает центриоли (немембранные органеллы цитоплазмы, играющие важную роль в клеточном делении, образуя веретено деления). Комплекс Гольджи служит местом временного хранения веществ, вырабатываемых в гранулярной эндоплазматической сети, а канальцы комплекса соединены с плазматической мембраной.

Лизосомы - группа внутриклеточных органелл, встречающихся в животных клетках, сходны по величине с митохондриями и представляют собой ограниченные мембраной тельца, которые содержат разнообразные ферменты, способные гидролизовать макромолекулярные компоненты клетки. В случае проникновения в клетку чужеродной ДНК (вируса) лизосомы выделяют в цитоплазму ферменты, расщепляющие ДНК, - нуклеазы, и тем самым выполняют защитную функцию.

Каждая клетка содержит ядро, которое служит важным регулирующим центром клетки. Ядро содержит наследственные факторы (гены), определяющие признаки данного организма, и управляет многими внутриклеточными процессами. Ядерная оболочка (кариолемма) окружает ядро и отделяет его от цитоплазмы и регулирует движение веществ из ядра и в ядро. Ядерный сок (кариоплазма) - полужидкое основное вещество ядра, в котором размещается строго определенное число нитевидных образований, называемых хромосомами. Хромосомы имеют продолговатую форму, состоят из двух хроматид с расположенной в том или ином участке перетяжкой - центромерой. Центромера делит хромосому на две части, называемые плечами хромосомы. Встречаются равноплечие хромосомы (метацентрические), неравноплечие (субметацентрические, акроцентрические). Длина хромосомы варьирует от 1 до 30 мкм. Более чем половину всей массы хромосомы составляет белок гистон, обладающий щелочными свойствами вследствие высокой концентрации в нем аминокислот аргинина и лизина. Хромосома содержит некоторое количество белка, имеющего кислотные свойства. ДНК и РНК содержатся в хромосомах в небольших, но измеримых количествах.

Гистон и ДНК объединены в структуру, называемую хроматиновой нитью, которая представляет собой двойную спираль ДНК, окружающую гистоновый стержень; она построена из повторяющихся единиц (нуклеосом), в каждую из которых входят примерно 200 пар оснований ДНК и по две молекулы каждого из четырех гистонов.

Хроматиновая нить обычно образует спираль диаметром около 25 мкм. По способности окрашиваться ядерными красителями хроматиновые нити подразделяют на две группы: эухроматин и гетерохроматин. Последний окрашивается более интенсивно.

Перед началом клеточного деления большая часть хроматина уплотняется, образуя хромосомы. Число хромосом в клеточных ядрах всех особей какого-либо вида постоянно и представляет собой один из его признаков. Зигота содержит диплоидный набор хромосом. Одинарный набор хромосом называют геномом. Набор хромосом, свойственный тому или иному виду животных называют кариотипом. Различают пары аутосом и последнюю пару половых хромосом.

В ядре находится сферическое тельце (одно или несколько), называемое ядрышком. Ядрышки исчезают, когда клетка готовится к делению, а затем появляются вновь. В ядрышках синтезируется рРНК (рибосомальная рибонуклеиновая кислота), из которой формируются частицы рибосом.

Митоз

Митоз - это непрямое деление соматических клеток, при котором каждая из двух дочерних клеток получает такое же количество и те же типы хромосом, какие имела материнская клетка. Промежуток времени между окончанием одного клеточного деления и окончанием последующего называют митотическим циклом, который подразделяется на митоз и интерфазу. Интерфаза включает тир периода. В первом периоде интерфазы, идущим вслед за прошедшим митозом и обозначаемой G1 (пресинтетическая фаза), осуществляется синтез белков иРНК. Затем следует период синтеза ДНК (фаза S - синтетическая), в течение которого количество ДНК в ядре клетки удваивается. В постсинтетический период (фаза G2) происходит синтез РНК и белков (в особенности ядерных) и накапливается энергия для следующего митоза.

Митоз делится на четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В первой стадии митоза - профазе - происходит формирование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, спирально закрученных друг относительно друга. Хроматиды утолщаются и укорачиваются в результате процесса внутренней спирализации.

Начинает выявляться слабо окрашенная и менее конденсированная область хромосомы - центромера. Во время профазы ядрышки постепенно уменьшаются в размерах, пока в конце концов их материал не диспергируется. Ядерная оболочка также распадается, и хромосомы оказываются в цитоплазме. В это время центриоль делится и дочерние центриоли расходятся в противоположные концы клетки. От каждой центриоли отходят тонкие нити в виде лучей; между центриолями формируются нити веретена деления. После разрушения ядерной оболочки каждая хромосома прикрепляется к нитям веретена при помощи своей центромеры.

Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя метафазную пластинку, и начинается следующий период митоза - метафаза. Центромера делится , и хроматиды превращаются в две совершенно обособленные дочерние хромосомы. Деление центромер происходит одновременно во всех хромосомах.

Центромеры расщепляются и это уже начало анафазы. Выстроившись вдоль экватора хромосомы (сестринские хроматиды) тот час же начинают расходиться к разным полюсам клетки.

Телофаза начинается с момента достижения хромосомами полюсов. Хромосомы возвращаются в состояние, при котором видны лишь хроматиновые нити или гранулы; вокруг каждого дочернего ядра образуется ядерная оболочка. На этом завершается деление ядра, называемое кариокинезом, за которым следует деление тела клетки, или цитокинез.

У большинства типов клеток весь процесс митоза занимает один-два часа. Регулярный и упорядоченный митотический процесс обеспечивает передачу генетической информации каждому из дочерних ядер; в результате каждая клетка содержит генетическую информацию обо всех признаках организма.

Мейоз

Мейоз (от греч. уменьшение) был открыт В.Флеммингом у животных в 1882 году. Мейоз - это уменьшительное деление половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов). Мейоз состоит из двух клеточных делений, при которых число хромосом уменьшается вдвое, так что гаметы получают вдвое меньше хромосом, чем другие клетки тела. Отличительной особенностью первого деления мейоза является сложная и сильно растянутая по времени профаза I, в которой выделяют пять стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез. Лептотена (стадия тонких нитей) - начало конденсации хромосом, в целом напоминает раннюю профазу митоза, отличаясь более тонкими хромосомами и крупными ядрами. Зиготена (стадия сливающихся нитей) - сближение и начало коньюгации (попарного временного сближения гомологичных хромосом, при котором возможен обмен их гомологичными участками - кроссинговер) гомологичных (сходных) хромосом; к концу ее все гомологи объединяются в биваленты (двойни гомологичных хромосом). В пахитене (стадия толстых нитей) происходит кроссинговер. Диплотена (стадия двойных нитей, или стадия четырех хроматид) начинается взаимным отталкиванием гомологов и появлением хиазм (места соединения хроматид разных хромосом); у подавляющего большинства организмов в диплотене происходит дальнейшая спирализация хромосом и редукция числа ядрышек. Завершается обмен гомологичными участками хроматид. Для диакинеза (стадия обособления двойных нитей) характерны уменьшение числа хиазм и значительная компактность бивалентов. Биваленты гомологичных хромосом отходят к периферии ядра, так, что их легко подсчитать. На этом завершается профаза I.

Метафаза I начинается с момента исчезновения ядерной оболочки. Биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки. Формируется веретено деления.

В анафазе I начинается движение гомологичных хромосом к полюсам клетки. То есть именно в анафазе происходит редукция - сокращение числа хромосом.

Телофаза I характеризуется обособлением двух дочерних ядер. Ее нередко рассматривают как состояние покоя между двумя делениями мейоза интеркинез.

Второе деление мейоза происходит в обоих дочерних ядрах так же, как и в митозе. Моновалентные хромосомы (каждая из которых состоит из двух хроматид) сокращаются (профаза II) и ориентируются по экватору (метафаза II). Возникает веретено деления из ахроматиновых нитей. В стадии анафазы II хроматиды отделяются друг от друга и быстро расходятся к разным полюсам. В телофазе II происходят образование ядер, деспирализация хромосом. В результате двух последовательных делений мейоза из одной исходной диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные генетически разнородные клетки.

Гаметогенез

Гаметогенез - это развитие половых клеток (гамет). Сперматогенез - развитие мужских гамет (спермиев). Оогенез - развитие женских гамет (яйцеклеток). Диплоидные клетки, из которых развиваются гаметы, называют оогониями и сперматогониями. Их быстрая пролиферация (разрастание) путем митоза приводит к образованию огромного количества клеток (ооцитов и сперматоцитов).

В сперматогенезе различают четыре периода: размножения, роста, созревания и формирования. В первом периоде диплоидные клетки - сперматогонии несколько раз делятся путем митоза и в последней интерфазе (премейотической) в них происходит репликация ДНК. Во втором периоде они растут и называются сперматоцитами 1-го порядка; ядро их проходит длинную профазу мейоза, во время которой совершается коньюгация гомологичных хромосом, кроссинговер и образуются биваленты. В третьем периоде происходят два последовательных деления созревания, или мейотических деления. В результате первого деления из каждого сперматоцита 1-го порядка образуются два сперматоцита 2-го порядка, а после второго деления - четыре одинаковые по размерам сперматиды; при этих делениях происходит уменьшение (редукция) числа хромосом вдвое. Сперматиды вступают в четвертый период формирования и превращаются в спермии. В результате сперматогенеза из одной диплоидной сперматогонии образуется четыре гаплоидных спермия. Сперматогенез совершается у большинства видов животных в семенных канальцах семенника.

Оогенез состоит из трех периодов: размножения, роста и созревания. В период размножения путем митозов увеличивается число диплоидных половых клеток оогоний; после прекращения митозов и репликации ДНК в премейотической интерфазе они вступают в профазу мейоза, совпадающую с периодом роста клеток, называемых ооцитами 1-го порядка. В начале периода роста (фаза медленного роста, или превителлогенез) ооцит 1-го порядка увеличивается незначительно, в его ядре происходят коньюгация гомологичных хромосом и кроссинговер. Эта фаза у ряда животных может длиться годами. В фазе быстрого роста (вителлогенеза) увеличивается объем ооцитов 1-го порядка за счет накопления рибосом и желтка. В период созревания происходят два деления мейоза; в результате первого деления образуется небольшое полярное тельце и крупный ооцит 2-го порядка. К концу периода созревания, ооциты преобретают способность оплодотворяться, а дальнейшее деление их ядер блокируется. Мейоз завершается выделением второго полярного тельца и образованием гаплоидной яйцеклетки из ооцита 2-го порядка. Полярные тельца впоследствии дегенерируются. В результате оогенеза из одной диплоидной оогонии образуются 3 направительные тельца и одна яйцеклетка с гаплоидным набором хромосом.

Оплодотворение - это слияние мужской половой клетки с женской с образованием зиготы. Самое главное в процессе оплодотворения - это слияние мужского и женского пронуклеусов. Оплодотворение - процесс видоспецифичный, то есть спермии одного вида организмов, как правило, не оплодотворяют яйца другого вида. В яйцеклетку из спермия проникает только ядро и одна из центриолей.

Спермий стимулирует яйцо к развитию; вносит гаплоидный набор хромосом в качестве отцовского генетического вклада во вновь формирующуюся зиготу; вносит в яйцо центриоль, участвующую в механизме клеточного деления (образование веретена деления).

селекция наследственность ген генетика

Лекция 3 Молекулярные основы наследственности

В 1927 году Кольцовым М.К. была выдвинута гипотеза о белковой природе гена. Изучение химии нуклеиновых кислот (рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой) началось в Тюбингенской лаборатории в Германии. Здесь в 1868-1869 г.г. молодой швейцарский физиолог и гистолог Ф. Мимер с ядерной массы лейкоцитов выделил вещество с сильными кислыми свойствами - нуклеин (от лат. ядро). Это была смесь двух веществ - нуклеиновой кислоты и белка. Ученый доказал, что в состав нуклеиновых кислот входят фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания, углеводные компоненты (сахара).

Исследованиями Ф.Гриффитса (1928), О.Эвери, К.Мак-Леода (1944) доказано, что вещество, которое направленно изменяет наследственность пневмококков, является ДНК, а не белок. С этого времени роль ДНК в наследственности большинство ученых считают доказанной.

Структурной единицей ДНК является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входит три компонента: остаток фосфорной кислоты, сахар пентоза - дезоксирибоза, азотистые основания - пуриновые (аденин - А, гуанин - Г) и пиримидиновые (тимин - Т, цитозин - Ц).

Структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д.Уотсоном и Ф.Криком. Молекула ДНК состоит из двух связанных между собой полинуклеотидных нитей спирально скрученных. Молекула ДНК состоит из тысяч нуклеотидов (108 и более). Нуклеотиды последовательно связаны друг с другом в цепочку с помощью остатка фосфорной кислоты и молекулы дезоксирибозы. Специфичность каждого нуклеотида в молекуле ДНК определяется наличием соответствующего азотистого основания. Каждый нуклеотид одной цепочки соединяется водородными связями с нуклеотидом другой цепочки строго закономерно: аденин соединяется с тимином двумя водородными связями, гуании - с цитозином тремя водородными связями.

Число пуриновых нуклеотидов (А+Г) равно числу пиримидиновых (Ц+Т), то есть отношение (А+Г):(Т+Ц)=1. Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль, каждый виток которой имеет длину 3,4 нм, расстояние между нуклеотидами 0,34 нм. Азотистые основания ориентированы к середине спирали.

Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и частично - для каждой особи. Д.Уотсон ввел понятие о видовой специфичности ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотношение (А+Т):(Г+Ц).

Репликацией называют процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям. У многоклеточных организмов в результате слияния гамет при оплодотворении образуется зигота, в которой содержится наследственная информация гаплоидных геномов родительских особей. В онтогенезе из зиготы в результате митоза образуются миллиарды клеток, каждая из которых несет в себе всю генетическую информацию.

Репликация происходит в период синтеза (S-период) интерфазы митотического цикла. На отдельных участках молекулы ДНК образуются так называемые вилки репликации (участки молекулы ДНК, где расплетаются комплементарные нити). В этих местах водородные связи между азотистыми основаниями под действием соответствующих ферментов (ДНК-полимераз) разрываются, комплементарные нити разъединяются, и каждая из них становится матрицей, на которой происходит синтез дочерних нитей. Таким образом, ДНК способна самовоспроизводиться (реплицироваться, самокопироваться) и сохранять наследственную информацию, закодированную в ней в виде последовательности чередования нуклеотидных оснований, во множестве поколений клеток, образующихся в онтогенезе многоклеточного организма.

Структура молекулы РНК отличается от ДНК тем, что тимин (Т) заменяется урацилом (У), а дезоксирибоза - рибозой. Молекула РНК одноцепочечная. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК.

Виды РНК: матричная (мРНК, или информационная иРНК), рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК). Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК, как на матрице при участии фермента РНК-полимеразы.

Строение белка и его синтез.

Белкам принадлежит исключительно важная роль в жизнедеятельности каждой клетки (построение мембран, хроматина, рибосом, митохондрий). Первичная молекула белка представляет собой цепочку, состоящую из 100-300 различных аминокислот и более, порядок чередования которых определяет специфичность данной молекулы: каждая из 20 аминокислот может встречаться многократно, но местонахождение контролируется ДНК. В настоящее время для многих молекул белка установлена их первичная структура, то есть порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи.

Вторичная структура белковой молекулы зависит от первичной: аминокислоты в полипептидной цепи соединяются водородными связями между NH- и СО-группами, в результате чего она свертывается в так называемую альфа-спираль.

Третичная структура белковых молекул образуется в результате связывания так называемыми дисульфидными мостиками (S-S) двух цистеиновых остатков аминокислот.

Четвертичная структура белковых молекул характеризуется тем, что они состоят из двух-четырех различных, стабильно соединенных полипептидных цепей. Такая структура характерна для многих ферментов.

Вторичная, третичная, четвертичная структуры белковых молекул зависят от числа и порядка чередования аминокислот в полипептидной цепи, то есть от первичной структуры.

Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он осуществляется под контролем молекулы ДНК, которая таким образом реализует закодированную в ней наследственную информацию. Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов - транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция - это процесс считывания информации с ДНК на иРНК во время ее синтеза (первый этап реализации генетической информации в клетках). Транскрипция происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.

В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется.

Следующий этап биосинтеза белка - трансляция - происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.

Трансляция (от лат. передача) - это синтез полипептидных цепей белков по матрице иРНК согласно генетическому коду. Генетический код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов; определяет последовательность включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь в соответствии с последовательностью нуклеотидов ДНК гена (или процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле). В узком смысле генетический код - это словарь кодонов (триплетов иРНК), кодирующих те или иные аминокислоты и знаки пунктуации белкового синтеза.

В 1964 году Дж.Маттей, Ф.Крик, М.Ниренберг, а затем С.Очао расшифровали генетический код. Триплет ДНК, или кодоген - это три соседних нуклеотида, которые несут информацию на включение одной из 20 основных аминокислот в полипептидную цепь белка. Триплеты - это не просто случайные группы трех нуклеотидов, а видовая специфичность молекул ДНК и РНК. Генетический код колинеарный, то есть четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидной цепи. Генетический код универсальный, триплетный, вырожденный, неперекрывающийся.

Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76-85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. Три участка тРНК имеют особо важное значение: 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тРНК к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота. Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов - ЦЦА. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется тРНК и доставляется ею на рибосому.

Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосомы. Трансляция начинается со стартового кодона (инициатора синтеза) -АУГ. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субъединице рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов - УАА, УАГ или УГА. Начало синтеза полипептидной цепи называется инициацией, а окончание синтеза - терминацией.

Лекция 4. Закономерности наследования признаков при половом размножении (менделизм)

Г.Мендель в 1865 г. сформулировал идею о существовании наследственных факторов. Гибридологический метод, связанный с изучением характера наследования отдельных признаков и свойств позволил Менделю выявить и сформулировать основные правила наследственности.

К основным особенностям гибридологического метода изучения наследственности относят:

использование в качестве исходных форм для скрещивания растений, отличающихся друг от друга сравнительно небольшим количеством (одна, две или три пары) контрастных признаков, и тщательный учет характера наследования каждого из них;

точный количественный учет гибридных растений, различающийся по отдельным признакам, в ряде последовательных поколений;

индивидуальный анализ потомства от каждого растения в ряде последовательных поколений;

недопустимость влияния чужеродного генетического материала и родительские расы и гибриды;

сохранение способности к размножению у гибридов и их потомков.

Одной из главных причин, обеспечивших успех в работе Менделя, был удачный выбор объекта исследования. Работа была проведена на однолетнем растении - горохе, который имеет много сортов с четко различающимися признаками. Горох легко культивируется, является строгим самоопылителем, строение его цветков таково, что почти невозможен занос чужой пыльцы, но при необходимости, можно производить искусственное опыление.

При изучении наследования признаков составляют схемы скрещивания. Скрещивание обозначают знаком умножения (х), который ставится между родителями. При написании схем женский пол обозначают знаком + (символ планеты Венеры), мужской - > (символ планеты Марс), родительские формы - буквой Р (от англ. родители). В строке ниже родителей записывают все типы производимых ими гамет (половых клеток). Полученное в результате скрещивания потомство называют гибридами и обозначают буквой F, внизу буквы ставят цифру, указывающую, к какому поколению оно относится. Например, F1 - гибриды первого поколения, F2- второго поколения и т.д.

Датский ученый В.Иоганнсен в 1909 г. ввел понятия «ген», «генотип» и «фенотип». Ген - единица наследственности. Генотип - совокупность наследственных задатков (генов) организма Фенотипом называют совокупность всех признаков и свойств организма, доступных наблюдению и анализу. Фенотип формируется под влиянием генотипа и условий чреды. В 1902 г. английский зоолог В.Бэтсон ввел понятия «гомозигота» и «гетерозигота». Гомозиготными называют особей, получивших от отца и матери одинаковые наследственные задатки (гены). Гетерозиготными называют особей, получивших от отца и матери разные гены. Таким образом, по генотипу особи могут быть гомозиготными (АА или аа) или гетерозиготными (Аа).

При гибридологическом анализе довольно часто используют реципрокное скрещивание. Реципрокным называют два скрещивания, в одном из которых определенным признаком отличается отцовская форма, во втором - материнская. На основании проведенных опытов Менделем установлено три закона и правило чистоты гамет.

1 закон (правило) Менделя - закон единообразия гибридов первого поколения. Сущность его заключается в том, что при скрещивании гомозиготных родительских форм, различающихся по своим признакам, первое поколение получается единообразным.

Мендель начал изучать закономерности наследования признаков с моногибридного скрещивания, т.е. со скрещивания сортов гороха, отличающихся друг от друга только одним признаком. Он избрал для анализа семь пар четко различающихся признаков: форма зрелых семян - круглая или морщинистая, окраска семядолей зрелых семян - желтая или зеленая, окраска цветков и семенной кожуры - белая или окрашенная и др. Скрещивая между собой горох с альтернативными признаками, Мендель обнаружил, что у гибридов первого поколения появляется признак только одного из родителей (доминантный - А), в то время как признак другого родителя в гибридных формах остается скрытым (рецессивный - а). У гороха доминировала округлая форма семян над морщинистой, желтая окраска семядолей над зеленой. Полученные гибриды были одинаковы независимо от того, отцовскому или материнскому растению принадлежали доминирующие признаки. Например, наследственный задаток доминантной желтой окраски семядолей будет А, рецессивный задаток зеленой окраски - а.

2 закон Менделя - закон расщепления гибридов второго поколения при скрещивании гибридов первого поколения между собой. Суть правила расщепления заключается в следующем: во втором поколении моногибридного скрещивания наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1, по генотипу в соотношении 1:2:1 (одна часть особей, гомозиготных по доминантному признаку, две части гетерозиготных и одна часть гомозиготных по рецессивному признаку).

Дигибридное скрещивание - это скрещивание особей, которые отличаются между собой по двум парам альтернативных признаков.

3 закон Менделя - закон независимого наследования генов (признаков А и В), которые находятся в разных парах хромосом. Генетически обусловленные признаки наследуются независимо друг от друга, сочетаясь во всех возможных комбинациях. Каждая пара аллельных генов наследуется по типу моногибридного скрещивания (3А+1а) х (3В+1в)=9АВ:3Ав:3аВ:1ав, то есть расщепление по фенотипу будет 9:3:3:1. По генотипу расщепление 1:2:1:2:4:2:1:2:1 = (1АА+2Аа+1аа)х(1ВВ+2Вв+1вв). Аллельными называют гены, которые располагаются в одном локусе (месте) гомологичных хромосом.

Вывод формулы расщепления по генотипу при дигибридном скрещивании

Расщепление по генотипу	По одной паре аллелей
	АА	2Аа	аа
По другой паре аллелей ВВ	ААВВ	2АаВВ	ааВВ
2Вв	2ААВв	4АаВв	2ааВв
вв	ААвв	2Аавв	аавв

При опылении растений гороха с круглыми желтыми семенами (ААВВ) пыльцой сорта с морщинистыми зелеными семенами (аавв) все семена гибридов первого поколения оказались круглыми и желтыми (АаВв - дигетерозиготные). Доминировали та же форма и тот же цвет семян, что и при моногибридном скрещивании. При скрещивании гибридов первого поколения между собой получили вышеназванное расщепление. Мендель сумел определить генотип каждого из растений.. Растения имеющие два доминантных признака, круглые и желтые семена, различались по генотипу в соотношении 1 ААВВ+2ААВв+2АаВВ+4АаВв, с морщинистыми желтыми семенами - в соотношении 1 ааВВ+2ааВв, с круглыми зелеными семенами - в соотношении 1ААвв+2Аавв и одна часть особей с морщинистыми зелеными семенами имела генотип аавв.

Правило чистоты гамет состоит в том, что у гетерозиготной особи наследственные задатки не смешиваются друг с другом, а передаются в половые клетки в чистом виде.

Лекция 5. Типы взаимодействия аллельных и неаллельных генов

Аллельные гены - это когда каждый ген определяет один признак.

К взаимодействию аллельных генов относят: неполное доминирование, промежуточных характер наследования, кодоминирование и сверхдоминирование.

При неполном доминировании отдельные контрастные признаки, контролируемые одной парой аллельных генов, у гомозиготных родителей в первом поколении занимают промежуточное положение, все особи гетерозиготные однотипные. Во втором поколении, при скрещивании особей первого поколения между собой происходит расщепление 1:2:1 как по генотипу, так и по фенотипу. Например, при скрещивании коров с белыми пятнами на туловище, белым брюхом и ногами с быками со сплошной окраской получается потомство со сплошной окраской, но с небольшими пятнами на ногах или других частях туловища.

При промежуточном характере наследования потомство в первом поколении сохраняет единообразие, но оно не похоже полностью ни на одного из родителей, как это было при полном доминировании, а обладает признаком промежуточного характера. Например, известно, что среди овец наряду с нормальноухими, имеющими длину уха около 10 см, дает в первом поколении потомство исключительно с короткими ушами - длиной около 5 см.

Кодоминирование - это когда у гибридной особи в равной мере проявляются оба родительских признака. По типу кодоминирования наследуется большинство антигенных факторов довольно многочисленных систем крови у разных видов домашних животных и человека. Также наследуются разные типы белков и ферментов: гемоглобин, трансферрин, амилаза, церулоплазмин.

При сверхдоминировании у гибридов первого поколения проявляется гетерозис. Гетерозисом называется явление превосходства потомства над родительскими формами по жизнеспособности, энергии роста, плодовитости и продуктивности. Сверхдоминирование - это взаимодействие между генами, которые являются аллельными, в результате чего гетерозиготные особи превосходят по фенотипическому показателю обе гомозиготы. В качестве примера можно использовать три различных генотипа, такие, как А1А1, А1А2 и А2А2. Под взаимодействием подразумевается явление, когда при одновременном наличии А1 и А2 (в генотипе А1А2). они синтезируют продукт или дают результат, которого нет в том случае, когда эти гены встречаются по отдельности, как в генотипах А1А1и А2А2. Для иллюстрации этого типа взаимодействия (действия между аллелями) можно использовать одну группу крови у кроликов. У животных генотипа А1А1 вырабатывается антиген1 (первый антиген), а у генотипа А2А2 имеется антиген 2. Кролики генотипа А1А2 синтезируют не только антиген 1 и 2, но и третий антиген (антиген 3). Таким образом гены А1 и А2 продуцируют совместно антиген, которого они не вырабатывают по отдельности.

При сверхдоминировании гетерозиготы оказываются более жизнеспособными, но при спаривании между собой они расщепляются и дают лишь около 50% гетерозигот.