Место генетики среди биологических наук. Значение генетики для решения задач селекции, медицины, биотехнологии, экологии.

Положение генетики среди других биологических наук определяет предмет ее исследования — наследственность и изменчивость — свойства, универсальные для всех живых существ. Методы и принципы генетики находят применение во всей системе биологических наук.

Дискретность генов отражает дискретность кодируемых ими макромолекул — белков и рибонуклеиновых кислот. Именно поэтому генетика наряду с биохимией стала основой молекулярной биологии.

Современная так называемая синтетическая теория эволюции вобрала в себя значительную часть генетической методологии на основе развития теории Ч. Дарвина о происхождении видов путем естественного отбора.

Генетика животных, растений, микроорганизмов находит применение в зоологии, ботанике, микробиологии. Возможность получения генетически детерминированных различий поведения животных широко используется в физиологии животных, в физио­логии высшей нервной деятельности. Многие проблемы биохимии решаются с помощью мутантов с измененным метаболизмом или измененной регуляцией метаболических путей и т. д.

Можно сказать генетика как наука о наследственности и изменчивости находит применение во всех областях деятельности человека, связанных с живыми существами: растениями, животными и микроорганизмами.

Генетика и селекция. Генетика представляет собой теоретическую основу селекции растений, животных и микроорганизмов. Опираясь на частную генетику различных объектов, селекционеры подбирают исходный материал для создания новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. При этом применяются различные системы скрещиваний, метод гибридологического анализа, индуцирование мутаций и т. д.

Широкое распространение получили методы полиплоидизации растений — умножения числа хромосомных наборов. Полиплоиды обычно мощнее своих диплоидных сородичей и более урожайны.

Селекция на основе генетики количественных признаков применяется для повышения мясной и молочной продуктивности скота, а также для повышения урожайности растений.

Большую роль мутационная селекция сыграла в развитии микробиологической промышленности: при создании штаммов — продуцентов белково-витаминных концентратов из дрожжей, продуцентов антибиотиков, витаминов, аминокислот и других биологически активных веществ на основе массового выращивания низших грибов и бактерий.

Биотехнология и генетика. Современная биотехнология представляет собой новую форму промышленной технологии, основу которой составляют биологические объекты – животные, растения, ткани различных органов, соматические клетки, размножаемые вне организма, микроорганизмы – бактерии, грибы.

Методы генной инженерии применяются для выведения штаммов бактерий и дрожжей, синтезирующих гормоны роста животных, интерферон человека, антиген вируса гепатита и других вирусов, необходимые для борьбы с инфекционными заболеваниями. Развивается клеточная и генная инженерия высших растений, позволяющая переносить гены одних видов и родов растений в другие.

В 1980 г. с помощью плазмиды в клетки T.coli был введен ген, контролирующий синтез инсулина человека. Была получена рекомбинантная плазмида. Ее которую вводят в клетку бактерии, приобретающей способность синтезировать проинсулин.

Генетика и медицина. Развитие генетики человека привело к пониманию того, что наряду с заболеваниями, которые вызывают бактериальные, вирусные и другие инфекции, существует значительное число (около 2500) наследственных заболеваний. Генетическая гетерогенность человеческой популяции включает целый ряд аномалий обмена веществ, нарушений конституции и психических заболеваний, причиной которых являются генные мутации и хромосомные аберрации.

Ранняя диагностика некоторых наследственных заболеваний позволяет вовремя вмешаться в течение болезни и посредством диетологических или медикаментозных воздействий предотвратить аномальное развитие и гибель больного.

Ранняя диагностика наследственных заболеваний до рождения ребенка или определение гетерозиготного носительства генных и хромосомных аномалий позволяет избежать нежелательных последствий путем планирования семьи. Большую роль при этом играет медико-генетическое консультирование населения.

До последнего времени излечение наследственных заболеван было невозможно. Все разработанные меры лишь устраняли симптомы заболеваний. Развивающаяся техника генной инженерии в ближайшем будущем обещает возникновение новой области ме­дицины — генотерапии, благодаря которой можно будет исправить или заменить аномальные части генетического материала.

Генетика и экология. Хозяйственная деятельность человека часто связана с вмешательством в естественные природные процессы, вследствие чего сокращается площадь лесов, изменяется водный баланс, появляются загрязняющие примеси в водоемах, воздухе и почве. Прогнозирование и предотвращение возможных нежелательных последствий такого вмешательства невозможны без знания как экологии, так и генетики и прежде всего знания генетики популяций, которая оперирует большими численностями организмов, обменивающихся генами в естественных условиях. При этом необходимо предусматривать сохранение оптимальных размеров и условий существования популяций растений, животных и микроорганизмов. Сохранение их генофонда — это сохранение неоценимого природного богатства генов, которые в дальнейшем могут быть использованы человеком в селекционном процессе.

Очень важный аспект экологической генетики — изучение мутагенной активности разнообразных физических и химических агентов, используемых человеком. Распространение в нашем обиходе мутагенов может повысить концентрацию аномальных генов, увеличить вероятность наследственных заболеваний. Поэтому каж­ое новое воздействие, каждое новое вещество, предназначенное для медицины, сельского хозяйства или пищевой промышленности, проходит испытание на генетическую активность.

Общая характеристика молекулярной природы возникновения генных мутаций: замена оснований; выпадение или вставка оснований. Роль мобильных генетических элементов в возникновении генных мутаций и хромосомных перестроек.

Современная точка зрения на причины спонтанных мутаций сформировалась в 60-х годах благодаря выяснению механизмов воспроизведения, репарации и рекомбинации генов и открытию ферментных систем, ответственных за эти процессы. Возникла тенденция объяснять генные мутации как ошибки в работе ферментов матричного синтеза ДНК. Сейчас эта гипотеза общепризнанна.

Первое объяснение механизма мутационных изменений было предложено в 1935 на основании анализа радиационного мутагенеза у высших организмов и прежде всего у дрозофилы. Мутация рассматривалась как результат мгновенной перестройки атомов в сложной молекуле гена. Причиной такой перестройки считалось непосредственное попадание в ген кванта или ионизирующей частицы (принцип попадания) или же случайные колебания атомов. Открытие в дальнейшем эффекта последействия ионизирующих излучений показало, что мутации возникают в результате процесса, длящегося во времени, а не непосредственно в момент прохождения кванта энергии или ионизирующей частицу через ген.

Перспективы преодоления этих и других противоречий зарождающейся теории мутационного процесса были намечены в физиологической гипотезе мутационного проиесса. Сущность гипотезы заключалась в том, что «благодаря способности клетки репарировать полученные повреждения становление мутации должно осуществляться в процессе обратимости повреждения, т. е. в процессе восстановления (репарации)». Это означало, что появлению мутации должно предшествовать предмутационное состояние или потенциальное изменение, которое может быть устранено (тождественная репарация) либо реализуется в виде мутации (нетождественная репарация). Связь мутаций с процессами репарации в настоящее время доказана практически для всех исследованных объектов. Ныне физиологическая теория выросла из рамок гипотезы, символизируя современный период в изучении мутационного процесса.

Причины генных мутаций

Основное внимание при изучении генных мутаций уделяют изменениям чередования пар нуклеотидов в ДНК и прежде всего изменениям, затрагивающим отдельные пары нуклеотидов, которые составляют класс точковых или точечных мутаций.

Точковые мутации представляют собой изменения пар нуклеотидов ДНК (или нуклеотида РНК). Далее этот класс мутаций подразделяется на следующие группы:

а) транзиции — такие замены пар нуклеотидов (AT - GC), которые не изменяют ориентации: пурин — пиримидин в пределах пары

б) трансверсии — замены пар нуклеотидов (AT- CG, АТ - ТА, GC -CG), изменяющие ориентацию);

в) вставка лишней пары нуклеотидов;

г) выпадение пары нуклеотидов.

В последнее время получила распространение концепция «ошибок трех Р» согласно которой мутации возникают в результате: репликации, репарации и рекомбинации.

Репликация и мутационный процесс. По Дж. Уотсону и Ф. Крику, одна из причин мутаций — возможность существования оснований ДНК в нескольких таутомерных формах. Если аденин находится в обычной аминной форме, он спаривается с тимином. Будучи в редкой иминоформе, аденин образует пары с цитозином. Этот таутомерный переход аденина при последующей репликации может обеспечивать транзиции AT—>-GC. Редкий енольный таутомер тимина способен образовать пару с гуанином и это также приведет к замене пары нуклеотидов. В дальнейшем расчеты показали, что все транзиции и трансверсии можно объяснить некоторой неоднозначностью соответствия между отдельными нуклеотидами в комплементарных цепях ДНК.

Репарация и мутационный процесс.

Наиболее подробно участие процессов репарации в возникно­вении мутаций исследовано у бактерии Е. coli. Показано, что мутация в гене uvr Е, контролирующем ликвидацию однонитевых разрывов после ультрафиолетового (но не ионизирующего) облучения, повышает спонтанное возникновение транзиций AT->GC -в 350—400 раз, а транзиций GC->AT в 150—200 раз.

Изучение генетического контроля репарации (а также рекомбинации) позволило доказать участие некоторых нормальных процессов, происходящих в клетке, в превращении пред мутационных изменений ДНК в мутации.

Рекомбинация и мутационный процесс. Связь между мутационным процессом и рекомбинацией следует из общности некоторых ферментативных этапов репликации, репарации и кроссинговера. Кроме того, источником мутаций могут быть ошибки рекомбинации, приводящие к появлению новых аллелей.

Известно, что мутаген профлавин (диамино- акридин) вызывает вставки и выпадения оснований у бактериофагов, но он практически не мутагенен для бактерий. Тем не менее с его помощью удалось получить мутантов у Е. coli в процессе конъюгации. Такой результат согласуется с точкой зрения о мутагенном действии акридинов в процессе рекомбинации.

Вклад рекомбинации в мутационный процесс не ограничивается только ее ошибками. Целый ряд мутаций может возникать в результате реципрокной рекомбинации, например хромосомные аберрации, а также некоторые другие.

Мобильные генетические элементы - участки ДНК, способные к транспозиции, или случайному перемещению, из одного места в другое: в пределах одной молекулы ДНК, из одной ДНК в другую. Не способны к самостоятельной репликации. Размножаются в составе бактериальной хромосомы или плазмид. К подвижным генетическим элементам относятся IS элементы, транспозоны, интегроны.

Обнаружены частые хромосомные перестроеки вблизи точек внедрения IS элементов и транспозонов. Это справедливо как для бактерий, так и для одноклеточных и многоклеточных эукариот. В настоящее время с учетом перемещения мигрирующих элементов и механизма обычной — гомологичной рекомбинации, а также рекомбинации между IS -элемснтами удается объяснить все типы известных хромосомных перестроек,

Делеции и дупликации могут происходить, если два мигрирующих элемента в одной и той же хромосоме одинаково ориентированы. Тогда рекомбинация по гомологии между этими элементами после репликации между сестринскими хроматидами или гомологичными хромосомами приведет к дупликации (трипликации) и делеции в качестве реципрокных продуктов рекомбинации. Делеции могут возникать и в результате рекомбинации двух гомологичных элементов, расположенных в одной хромосоме и одинаково ориентированных. При этом дупликация отсутствует.

Инверсии возникают в случае противоположной ориентации двух гомологичных элементов в одной хромосоме.

Транслокации могут быть результатом рекомбинации двух копий одного и того же элемента, интегрированных в разные хромосомы и расположенных одинаково в направлении от центромеры или к центромере.

Мосты и фрагменты, часто наблюдаемые в анафазе при индукции хромосомных аберраций ионизирующими излучениями — результат рекомбинации, копий одного и того, же мигрирующего элемента в негомологичных хромосомах и по-разному

ориентированных к центромере; в одной хромосоме от центромеры, в другой — к центромере.

Большинство перечисленных рекомбинационных механизмов возникновения хромосомных аберраций продемонстрированы в экспериментальной работе с бактериями и дрожжами. Мигрирующие элементы способны захватывать и переносить на новое место гены, рядом с которыми они располагаются. Тем самым осуществляется дупликация отдельных генов, необходимая для дивергенции генетического материала, т. е. возникновения генов с новыми функциями. Кроме того, повторы одинаковых или сходных участков генетического материала сами по себе создают условия для рекомбинации по гомологии между генами, располагающимися в негомологичных участках генетического материала. Подобная рекомбинация происходит значительно реже, чем полностью гомологичная рекомбинация — кроссинговер, но она также связана с инициирующей рекомбинацию конверсией.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 25