Множественные перекресты. Интерференция. Линейное расположение генов в хромосомах. Основные положения хромосомной теории наследственности по Т. Моргану.

Морган предположил, что кроссинговер между двумя генами может происходить не только в одной, но и в двух и даже большем числе точек. Четное число перекрестов между двумя генами, в конечном счете, не приводит к их перемещению из одной гомологичной хромосомы в другую, поэтому число кроссинговеров и, следовательно, расстояние между этими генами, определенное в эксперименте, снижаются. Обычно это относится к достаточно далеко расположенным друг от друга генам. Естественно, что вероятность двойного перекреста всегда меньше вероятности одинарного. В принципе она будет равна произведению вероятности двух единичных актов рекомбинации. Например, если одиночный перекрест будет происходить с частотой 0,2, то двойной – с частотой 0,2 × 0,2 = 0,04. В дальнейшем, наряду с двойным кроссинговером, было открыто и явление множественного кроссинговера: гомологичные хроматиды могут обмениваться участками в трех, четырех и более точках.

Сотрудник Т. X. Моргана А. Стертевант предположил, что частота кроссинговера на участке между генами, локализованными в одной хромосоме, может служить мерой расстояния, на котором они находятся друг от друга. Тогда можно использовать частоту кроссинговера для того, чтобы определять взаимное расположение генов и расстояние между ними.

Сумма меньших частот рекомбинации (генетических расстояний) чаще всего превышает частоту рекомбинации между наиболее удаленными друг от друга маркерами. Это объясняется тем, что между любыми двумя сцепленными генами возможен не только одиночный, но и двойной (а также множественный) кроссинговер, что приводит к сокращению регистрируемой частоты кроссинговера. Т. е. если два гена стоят подряд, то их двойной обмен воспринимается как одиночный. Таким образом, двойные обмены сокращают количество кроссинговеров а следовательно и регистрируемое расстояние между генами.

Вместе с тем между обменами на соседних участках хромосом существует взаимовлияние, названное интерференцией. Такое взаимовлияние можно выразить количественно. Для этого сопоставляют реально наблюдаемую частоту двойных обменов с частотой, теоретически ожидаемой на основе предположения о том, что обмены на соседних участках происходят независимо друг от друга. Степень и характер интерференции измеряется величиной коинциденции (С). Коинциденцию оценивают как частное от деления реально наблюдаемой частоты двойных кроссоверов на теоретически ожидаемую частоту двойных кроссоверов. Последнюю величину получают, перемножая частоты кроссинговера на соседних участках.

Если С < 1, то интерференция положительная, т. е. одиночный обмен препятствует обмену на соседнем участке хромосомы. Если С > 1, то интерференция отрицательная, т. е. один обмен как бы стимулирует дополнительные обмены на соседних участках. В действительности существует только положительная интерференция при реципрокной рекомбинации — кроссинговере, а кажущееся неслучайным совпадение двух и более обменов, характерное для очень коротких расстояний, — результат нереципрокных со­бытий при рекомбинации.

Таким образом, при картировании генов в группах сцепления на основе изучения частот рекомбинации необходимо учитывать две противоположные тенденции. Двойные обмены «сокращают» расстояния между генами, а интерференция препятствует множественным обменам, вероятность которых увеличивается с расстоянием. Как показал для дрозофилы Г. Меллер, на больших расстояниях (около 35 % рекомбинации) интерференция исчезает. Следовательно, наиболее точные данные о частоте кроссинговера можно получить только на достаточно коротких расстояниях — приблизительно до 10 сантиморганов (сантиморган - .растояние на котором кроссинговер происходит с вероятностью 1%)

В обобщенном виде зависимость частоты рекомбинации от реального расстояния с учетом множественных обменов описывает функция Дж. Холдэйна:

rf(d) = 1/2 (1 – e^-2d),

где rf — картирующая функция (в нашем случае — это частота учитываемых кроссинговеров), d — реальное расстояние, на котором происходят обмены, е — основание натурального логарифма.

Функция Холдэйна показывает, что с увеличением расстояния гf приближается к 0,5. Реально это означает, что между генами, расположенными далеко друг от друга, выявляется около 50 единиц рекомбинации. Такую же частоту рекомбинации демонстрируют и гены, находящиеся в разных хромосомах. Таким образом, практически невозможно уловить сцепления между столь удаленными друг от друга генами. Эти гены, хотя и сцеплены физически, находясь в одной хромосоме, будут наследоваться независимо.

Представления о расположении генов на хромосомах (в группах сцепления) сводятся к тому, что они располагаются в линейном порядке, причем, чем больше расстояние между генными локусами, тем большей является частота кроссинговера между ними и наоборот, линейный порядок генов характерен для групп сцепления всех организмов, включая человека, и определяет принципы построения генетических карт хромосом, которые представляют собой графическое изображение расстояний между генами в группах сцепления.

Эти представления указывали на то, что линейный порядок характерен не только для расположения генов на хромосомах, но и для организации генетического материала внутри генов.

Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности:

Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.

Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря нему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.

Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом.

Особенности человека как объекта генетических исследований. Методы изучения генетики человека: генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, онтогенетический, популяционный. Использование метода гибридизации соматических клеток для генетического картирования. Изучение структуры и активности генома человека с помощью методов молекулярной генетики. Программа «Геном человека».

Человек как объект генетики

Частная генетика человека сформировалась с учетом следующих особенностей, создающих трудности при изучении его наследственности и изменчивости:

1) невозможности направленных скрещиваний для генетического анализа;

2) невозможности экспериментального получения мутаций;

3) позднего полового созревания;

4) малочисленности потомства;

5) невозможности обеспечения одинаковых и строго контролируемых условий для развития потомков от разных браков;

6) недостаточной точности регистрации наследственных при­знаков и небольших родословных;

7) сравнительно большого числа (2п= 46)плохо различающихся хромосом.

Методы изучения генетики человека:

Генеалогический метод позволяет преодолеть сложности, возникающие в связи с невозможностью скрещивания и малоплодностью человека. Если есть родословные, то можно, используя суммарные данные по нескольким семьям, определить тип наследования (доминантный, рецессивный, сцепленный с полом, аутосомный) признака, а также его моногенность или полигенность.

Существенная трудность, с которой встречается генеалогический метод, — нехватка подробных родословных.

Близнецовый метод Основоположником близнецового метода в генетике человека был Ф. Гальтон, (XIX в.), который обратил внимание на то, что есть близнецы похожие и различающиеся и предложил сравнивать их между собой для выяснения влияния наследственности и «питания», т. е. влияния среды на проявление признаков.

Близнецовый метод основан на трех положениях:

· Однояйцевых, близнецов (ОБ) имеют идентичные генотипы, а разнояйцевые близнецы (РБ)— различные генотипы.

· Среда, в которой развиваются близнецы и под действием которой появляются различия признаков у ОБ, может быть одинаковой и неодинаковой для одной и той же пары ОБ.

· Все свойства организма определяются взаимодействием только двух факторов: генотипа и среды.

Эти положения позволяют сравнивать влияние генотипа и среды на развитие признаков.

Цитогенетический метод.

Цитологический контроль применяют при диагностике ряда наследственных заболеваний, которые связаны с явлениями анэуплоидии и различными хромосомными аберрациями. Наряду с изучением митотических хромосом полезную информацию получают и при наблюдении интерфазных клеток. В частности, мужчин и женщин различают по наличию в интерфазном ядре так называемого тельца Барра, или полового хроматина.

Довольно большое число трудно отличимых друг от друга хромосом создавали трудности в применении цитологического метода и в развитии цитогенетики человека. Разработка методов дифференциальной окраски упростила проблему идентификации всех хромосом человека. Благодаря культивированию клеток человека in vitro можно получать достаточно большой материал для описания цитологических особенностей исследуемого индивидуума. Для этого обычно используют кратковременную культуру лейкоцитов периферической крови.

Биохимический метод является основным в диагностике многих моногенных болезней, приводящих к нарушению обмена веществ. Объектами биохимической диагностики являются биологические жидкости: кровь, моча, пот, амниотическая жидкость и т.д. С помощью данного метода можно определить в биологических жидкостях активность ферментов или содержание некоторых продуктов метаболизма.

Популяционный метод, или методы генетики популяций широко применяются в исследованиях человека. Он дает информацию о степени гетерозиготности и полиморфизма человеческих популяций, выявляет различия частот аллелей между разными популяциями.

Различную концентрацию конкретных аллелей локуса 1 связывают с известными данными о чувствительности разных генотипов к инфекционным болезням. Это помогает понять направление эволюции и отбора, действовавшего в разных регионах, в истории человечества.

Популяционный метод позволяет определить адаптивную ценность конкретных генотипов. Многие признаки и соответственно обусловливающие их гены адаптивно нейтральны и проявляются как естественный полиморфизм человеческих популяций. Другие признаки возникли как адаптивные по отношению к определенным условиям существования; например, темная пигментация кожи негров предохраняет от действия солнечной радиации. Известны примеры условно адаптивных аллелей. К их числу относится такая генетическая аномалия, как серповидноклеточная анемия.

Онтогенетический метод, в нем развитие нормальных и патологических признаков рассматривается в ходе индивидуального развития. Некоторые наследственные болезни проявляются только в определенном возрасте. Приме­ром может служить хорея Хантингтона, наследующаяся как ауто- сомный доминантный признак. Это заболевание выражается в расстройстве психики у больных в возрасте 25—45 лет.

Метод гибридизации соматических клеток. В его основе лежит слияние клеток, в результате чего образуются гетерокарионы, содержащие ядра обоих родительских типов. Образовавшиеся гетерокарионы дают начало двум одноядерным гибридным клеткам. В 1965 английский ученый Г. Харрис впервые получил гетерокарионы, образованные клетками мыши и человека. Такую искусственную гибридизацию можно осуществлять между соматическими клетками, принадлежащими далеким в систематическом отношении организмам и даже между растительными и животными клетками. Гибридизация соматических клеток животных сыграла важную роль в исследовании механизмов реактивации генома покоющейся клетки и степени фенотипического проявления (экспрессивности) отдельных генов, клеточного деления, в картировании генов в хромосомах человека, в анализе причин злокачественного перерождения клеток. С помощью этого метода созданы гибридомы, используемые для получения моноклональных (однородных) антител.

Геном человека закончили секвенировать в 2003 г‚ В 1988 г. Дж. Уотсон, публично высказал мысль о том, что наука вплотную приблизилась к раскрытию химической основы наследственности человека. В том же самом 1988-м с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А.А. Баев (1904-1994). После консультаций с коллегами он обратился к М.С. Горбачеву с письмом, в котором предложил организовать государственный научный проект по изучению генома человека. Однако эта идея была воспринята критически. Лишь через кокое то время научное сообщество во всем мире стало обсуждать ее всерьез. С 1989 г. и в США, и в СССР функционируют соответствующие научные программы; позднее в 1999 г. возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO‚ Human Genome Project), вице-президентом которой несколько лет был академик А.Д. Мирзабеков. Координационный центр HUGO находится в американском городе Бетесда, недалеко от Вашингтона, и относится к системе национальных институтов здоровья (National Institutes of Health).

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 13

1. Методы отбора: индивидуальный и массовый отбор. Отбор по фенотипу и генотипу (оценка по родословной и качеству потомства). Сибселекция. Влияние условий внешней среды на эффективность отбора. Перспективы методов генетической и клеточной инженерии в селекции и биотехнологии.

Массовым отбором называют такую форму отбора, при которой из исходной популяции сразу отбирается большое число растений, сходных по комплексу признаков (в нашем случае устойчивых к вредным организмам в сочетании с другими хозяйственно ценными признаками). После тщательной браковки урожай этих растений объединяется и высевается на следующий год на одной делянке. Массовый отбор — отбор организмов по фенотипу(внешним признакам) без проверки генотипа. Важнейшим критерием является проявление признака в данном поколении. Преимуществом данного вида отбора являются его быстрота и массовость.

Индивидуальный отбор основан на оценке по потомству отобранных и индивидуально размножаемых лучших по устойчивости растений. Метод однократного индивидуального отбора в селекции самоопыляющихся растений предусматривает проведение его через все этапы селекционного процесса однажды отобранных элитных растений. Одной из разновидностей индивидуального отбора у перекрестноопыляющихся растений является индивидуально-семейственный отбор, при котором семена каждого элитного растения высеваются по семьям на отдельных изолированных площадках. Индивидуальный отбор осуществляется по генотипу, в этом случае оценивается потомство конкретного организма в ряду поколений. Он гораздо более эффективен, чем массовый отбор, хотя и требует большего времени. Индивидуальный отбор осуществляют двумя способами:

· Проверка по потомству. При этом способе индивидуального отбора оценивают проявление признака в ряду поколений, то есть надежность передачи потомству ценных качеств.

· Сиб-селекция (от англ. Sibling — родной брат или сестра) — отбор ведется по боковым родственникам: братьям и сестрам. Если у них наблюдают интересующие качества, то на племя оставляют остальную часть приплода. В растениеводстве эту методику используют под названием метода половинок.

В более или менее установившихся, мало меняющихся условиях внешней среды, когда организмы в ряде поколений вынуждены ассимилировать одни и те же условия, отбор будет направлен на сохранение и дальнейшее приспособление организмов к этим мало меняющимся условиям. При изменении условий жизни организмы, вынужденные ассимилировать эти измененные условия, будут изменяться (наследственная основа их будет расшатываться) приспособляться к новым условиям, и отбор в этом случае будет направлен на быструю перестройку вида в соответствии с изменившимися условиями жизни, на наследственное закрепление новых приспособлений.

У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. При появлении все новых и новых векторов человек с их помощью будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека. Это позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем – непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород – самое экологически чистое топливо будущего, электроэнергию, превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях.

Кроссинговер. Доказательства происхождения кроссинговера в мейозе и митозе на стадии четырех нитей. Значение анализирующего скрещивания и тетрадного анализа при изучении кроссинговера. Цитологические доказательства кроссинговера.

Кроссинговер — процесс обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации в профазе I мейоза. Он обеспечивает новые сочетания генов, находящихся в гомологичных хромосомах и тем самым значительно увеличивает роль комбинативной изменчивости в эволюции. Помимо мейотического, описан также митотический кроссинговер. Хромосома разделяется на эти участки в определённых точках, одних и тех же для одного вида, что может быть определением вида на генетическом уровне, место расположения этих точек задаётся единственным геном.

Мейотический К. Еще до открытия перекреста хромосом генетическими методами цитологии, изучая профазу мейоза, наблюдали явление взаимного обвивания хромосом, образования ими Х-образных фигур — хиазм (z-греческая буква «хи»). В 1909 г. Ф. Янсенс высказал предположение, что хиазмы связаны с обменом участками хромосом. Впоследствии эти картины послужили дополнительным аргументом в пользу гипотезы генетического перекреста хромосом, выдвинутой Т. Морганом в 1911 г.

Механизм перекреста хромосом связан с поведением гомологичных хромосом в профазе I мейоза (гомологичные хромосомы конъюгируют идентичными участками).Конъюгация - единственный момент, когда может осуществляться кроссинговер между гомологичными хромосомами. Таким образом, кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид иприурочен к образованию хиазм.

Если в одном биваленте произошел не один обмен, а два и более, то в этом случае образуется несколько хиазм. Поскольку в биваленте четыре хроматиды, то, очевидно, каждая из них имеет равную вероятность обменяться участками с любой другой. При этом в обмене могут участвовать две, три или четыре хроматиды.

Соматический (митотический) кроссинговер. Известно, что гомологичные хромосомы в профазе митоза обычно не конъюгируют и располагаются независимо друг от друга. Однако иногда, удается наблюдать синапсис гомологичных хромосом и фигуры, похожие на хиазмы, но при этом редукции числа хромосом не наблюдается. Соматический кроссинговер может приводить к мозаичности в проявлении признаков.