Молекулярно-генетические основы эволюции. Задачи геносистематики. Значение генетики популяций для медицинской генетики, селекции, решения проблем сохранения генофонда и биологического разнообразия.

Говоря о молекулярных основах эволюции, прежде всего, следует осветить изменения, которые произошли в строении и функциях нуклеиновых кислот, в частности ДНК, а также белковых молекул, в процессе исторического развития. На современном этапе молекулярной биологии можно анализировать число различий в последовательностях нуклеотидов в ДНК или аминокислот в молекуле белка разных видов и по этому показателю судить о степени их отличия. Поскольку каждая замена аминокислот в молекуле белка связана с изменением одного, двух или трех нуклеотидов в молекуле ДНК, с помощью компьютерных технологий можно вычислить максимальное или минимальное число нуклеотидных замен и на их основе судить о замещении аминокислот в молекуле белка.

Геном каждого растения, животного или гриба состоит из очень сложных и многообразных генетических элементов. В геноме встречаются, во-первых, так называемые уникальные гены, которые повторяются в геноме всего один или несколько раз, во-вторых, гены, повторяемые десятки и сотни раз, в-третьих, нуклеотиды, которые повторяются от десяти до тысячи раз, в – четвертых , образования, состоящие из коротких последовательностей нескольких нуклеотидов, которые могут повторяться миллионы раз (саттелитные последовательности ДНК).

Геномика в основе своей - та же геносистематика. Отличие заключается лишь в подходе к изучению геномов организмов. Исторически сложилось так, что сегодня геносистематики в основном изучают нуклеотидные последовательности фрагментов ДНК (например, генов) и на этой основе судят о родстве организмов. Геномика же исследует и сопоставляет целые геномы ядер или органелл клеток, в том числе и для целей филогенетики. Задача эта и по сию пору, особенно в случае высших эвкариот, очень сложная: ведь геномы наземных растений и животных построены из многих миллиардов нуклеотидов.

Определить порядок их расположения в хромосомах можно только с применением новейших молекулярно-биологических методов, что требует больших затрат времени и труда. Однако, как говорится, овчинка стоит выделки: решение ее может пролить свет на целый ряд проблем филогенетики и систематики, не говоря уже о том, что геномика имеет и прикладное значение. Всем понятно, как важно, например, для лечения наследственных болезней человека знать строение полного генома здоровой и больной клетки. Как только выяснится характер повреждения "больного" гена, методы его "лечения" не заставят себя ждать, и сотни и тысячи ранее обреченных больных будут спасены.

Понятно, что одной медициной сфера применения геномики не ограничивается. Она будет полезна и в промышленности, и в сельском хозяйстве, и во многих других сферах деятельности человека, но об этом пусть напишут другие. Автор ставит перед собой иную задачу: показать, что геномика уже сегодня - весьма удобный и эффективный инструмент для решения проблем классической биологии, связанных с изучением эволюции живого, и создания их систем.

Результатом непрерывно идущего мутационного процесса в человеческих популяциях является генетический груз, который проявляется в большом числе наследственных заболеваний. Изучение и возможное предотвращение последствий генетических дефектов человека – предмет медицинской генетики. По мере развития медицины возможность выявления наследственных заболеваний увеличивается. Этому способствует развиие медицинской генетики и генетики человека. Меры принятые при раннем выявлении наследственных болезней, могут предотвратить их развитие.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 26

Генетика развития дрозофилы.

Изучено включение и выключение специфических генов в ходе развития. 5 стадий развития: эмбриональная, 3 личиночных и стадия куколки. Внутри яйца в цитоплазме находятся градиенты молекул, возникающих еще в организме матери, они играют ключевую роль в детерминации ядер, мигрирующих в разные части зародыша.

Эмбриогенез:на переднем конце яйца микропиле – для проникновения сперматозоида. На заднем конце несколько аэропиле – для газообмена. После оплодотворения ядро зиготы делиться. После 10 делений 512 ядер мигрируют к наружной поверхности цитоплазмы в ее внешний слой кортекс – стадия синцитиальной бластодермы. Цитоплазматические детерминанты (ЦД) в ходе формирования первичных половых клеток (ППК) действуют на заднем конце зародыша. Там цитоплазма называется полярной плазмой. Далее формируются мембраны вокруг отдельных ядер и наступает стадия клеточной бластодермы. Затем эмбрион делится на ряд сегментов (парасегментов), границы которых определяются картиной экспрессии различных генов. Парасегменты сдвинуты на пол сегмента по сравнению с сегментами имаго. Клетки в пределах сегмента детерминируются как клетки передней и задней половины сегмента (компартмента) – сужение потенций клеток. Многие из структур имаго формируются из групп клеток – иммагинальных дисков, возникающих в ходе личиночного развития (12 пар).

Гены эмбриогенеза:делятся на материнские (гены материнского эффекта - МЭ) и зиготические (З). Продукты генов МЭ (иРНК, белки) накапливаются в яйце в ходе оогенеза и образуют градиент. Гены МЭ кодируют факторы транскрипции, рецепторы и белки – регуляторы трансляции, активируют или репрессируют экспрессию зиготических генов в определенной пространственно-временной последовательности. Зиготические гены экспрессируются в клетках зародыша (мутации-летали).

Анализ мутаций эмбрионального развития показал, 2 группы генов, ответственные за развитие зародыша: 1. Гены сегментации – делят зародыш на ряд участков, определяя число сегментов, размер и полярность. 2. Гомеозисные (селекторные) гены – определяют уникальные свойства каждого сегмента.

Активация генов МЭ привод к становлению передне-задней оси сразу после оплодотворения. Их продукты активируют транскрипцию gap-генов, которые подразделяют зародыш на небольшое число обширных участков, и pair-rule-гены, которые делят зародыш на участки в 2 сегмента. Тем самым определяются границы сегментов для работы генов и их продуктов. Продукты PR-генов активируют гены сегментной полярности, которые делят сегмент напередний и задний концы. Также определяется поле для деятельности гомеозисных генов, на 100 сегментов – 40 МЭ и 60 З.

Зиготические гены:gap-гены (выпадение групп соседних сегментов), pair-rule-гены (спицифические части сегментов, находящихся через 1), гены полярности (дефекты гомологичных участков каждого сегмента). **классификация основана на фенотипическом проявлении.

1. gap-гены:при мутации наблюдаются бреши в сегментации (грудные и головные – hunchback, грудные и брюшные – Krupell). Транскрипты делят зародыш на широкие полосы: голову, грудь и брюшко, участки экспрессии примерно соответствуют областям, которые затрагивают мутации (hunchback– в передней, Krupell – в средней).

2. pair-rule-гены:Функция: установление границ сегментов, делят участки, размеченные продуктами гап-генов на участки в 1 сегмент. При мутациях выпадают участки в 1 сегмент, расположенные через 1 сегмент. Границы полос перекрываются и в клетках разных полос экспрессируются разные комбинации pair-rule-генов. У дрозофилы около 8 генов.

3. Гены полярности сегментов: каждый ген активируется в полоске шириной в 1 клетку в пределах 1 сегмента, который кольцом окружает зародыш

Гомеозисные гены: детерминируют уникальные особенности сегментов (антенны, роговые части, крылья, ноги и тд). У мутантов один сегмент превращается в другой (антенапедия (название) в норме – ноги, в избытке функции экспрессирует в голове). Эти гены активируются продуктами gap-генов и PR-генов. Также выявлены гены, регулирующие экспрессию селекторных генов. Гены каждого кластера, расположенные ближе к 3’концу, экспрессируют ближе к переднему концу зародыша, а 5 концу – ближе к заднему.

******Еще больше интересного читайте здесь:

http://www.nsu.ru/education/biology/devgen/glava2.pdf

2. Балансовая теория определения пола. Наследование признаков, сцепленных с полом. Крисс-кросс наследование. Зависимые от пола и ограниченные полом признаки. Наследование при нерасхождении половых хромосом. Гинандроморфизм.

Как показал К. Бриджес (1922), пол у дрозофилы зависит от соотношения половых (Х) хромосом и наборов всех остальных – аутосом (А). Он обнаружил самок, которые имели по три набора всех хромосом: 3Х + 3А, т. е. были триплоидными. Некоторые из них оказались плодовитыми при скрещивании с нормальными диплоидными самцами (ХY + 2А). В потомстве от таких скрещиваний были получены мухи с различным числом Х-хромосом и аутосом.

Исследовав их, К. Бриджес и пришел к заключению, что пол дрозофилы определяется соотношением числа Х-хромосом и наборов аутосом. Если это соотношение в зиготе равно 1 (2Х : 2А), из нее развивается самка, если оно равно 0,5 (1Х : 2А) – самец. При этом Y-хромосома в определении пола не играет роли.

При промежуточном соотношении (2Х : 3А = 0,67) развиваются интерсексы – мухи, имеющие промежуточный фенотип - нечто среднее между самцами и самками. При соотношении Х : А > 1 (3Х : 2А = 1,5) получаются метасамки, или сверхсамки, которые очень слабы и рано погибают. Если же соотношение Х : А < 0,5 (1Х : 3А = 0,33), образуются метасамцы, или сверхсамцы, тоже слабые и рано погибающие.

Хромосомный механизм определения пола животных широко распространен в природе. Различают несколько типов хромосомного определения пола в зависимости от того, какой пол гетерогаметный, какой – гомогаметный.

Совместное наследование генов, ограничивающее их свободное комбинирование, называется сцеплением генов, или сцепленным наследованием.

Гены, находящиеся в одной хромосоме и наследующиеся сцеплено, составляют группу сцепления. Очевидно, что количество групп сцепления у каждого вида должно соответствовать гаплоидному набору хромосом.

Крисс-кросс – такой тип наследования, при котором сыновья наследуют признак матери, а дочери – признак отца.

Так, при скрещивании самок дрозофил с белыми глазами и самцов с красными в F1 получали красноглазых самок и белоглазых самцов в соотношении 1:1. При таком скрещивании в F2 появляются в равном соотношении как красноглазые самки и самцы, так и белоглазые самки и самцы.

Морган предположил, что ген W находится в Х-хромосоме, а Y-хромосома генетически инертна или, по крайней мере, не содержит гена W. Этот тип наследования получил название наследования, сцепленного с полом, или сцепления с полом.

Присутствие только одной аллели (X^WY) и в единичном числе у диплоидного организма называется гемизиготным состоянием, или гемизиготой.

Пол – это совокупность признаков и свойств организма, обеспечивающих его участие в воспроизводстве потомства и передаче наследственной информации следующему поколению за счет образования гамет.

Обычно признаки, по которым отличаются особи разных полов, делят на первичные (гонады, половые пути и наружные гениталии у высших животных и др.) и вторичные (строение плавников рыб, перья птиц, волосяной покров, тембр голоса) половые признаки. Различия особей мужского и женского пола – половой диморфизм – встречается у некоторых низших и многих высших растений и животных. Признаки:

Сцепленные с полом (гены располагаются в гоносомах, чаще в X-хромосоме).

Ограниченные полм (гены – в аутосомах, признак проявляется только у одного пода, например, молочность коров).

Контролируемые полом (гены в аутосомах, степень встречаемости и частота проявления разная; рогатость, облысение).

Молодой сотрудник Т. Х. Моргана К. Бриджес обратил внимание на очень редкое, но весьма знаменательное нарушение схемы крисс-кросс наследования. С частотой 0,001 – 0,1 % в F1 от скрещивания белоглазых самок и красноглазых самцов у дрозофилы появляются белоглазые самки и красноглазые самцы. К. Бриджес убедился в том, что белоглазые самки имеют Y-хромосому наряду с двумя Х-хромосомами, а красноглазые самцы – одну Х-хромосому, тем самым подтвердив гипотезу нерасхождения Х-хромосом. Так было впервые доказано, что определенный ген (W) находится в конкретной хромосоме (X).

Распределение хромосом может нарушаться не только в мейозе, но и в митозе. В F1 от скрещивания самка W+//W+ и самца W/ Yхромосома изредка появляются мухи, у которых один глаз белый, а другой – красный. У них одна половина тела женская, другая – мужская (билатеральные гинандроморфы). Они возникают в результате потери одной X-хромосомы при первом делении ядра зиготы, которая должна дать начало самке.

Самцы дрозофилы с ХО стерильны. Исключительные самки, XXY фертильны. Бриджес скрестил таких белоглазых самок с нормальными красноглазыми самцами. В результате в F1 4% самцов с красными глазами среди всех самцов и 4% самок с белыми глазами среди всех самок. % самок были красноглазыми, 96% самцов – белоглазыми. Резко повышенная частота исключительных мух в потомстве этого скрещивания наблюдалась благодаря вторичному нерасхождению хромосом. В отличие от первичного, в результате которого и появились исключительные самцы и самки при скрещивании белоглазых и красноглазых мух.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 27

Генетика развития нематоды.

Caenorhabditis elegans.

Онтогенез: эмбриональная стадия (16 часов), 4 личиночных (L1 – L4) и взрослая стадия.

2 пола: гермафродиты (XX) и самцы (XO).

Взрослая гермафродитная особь состоит из 959 соматических клеток (+2000 клеток зародышевого пути). Зная родословную каждой клетки, можно проследить за событиями в результате мутаций.

Генанализ формирования вульвы. Вульва – конечный отдел половой системы, через который происходит откладка яиц, отверстие ее у середины тела на брюшной стороне. Этапы формирования:

1.Соседние клетки Z1.ppp и Z4.aaa взаимодействуют и одна становится якорной клеткой, а другая клеткой-предшественницей вентрального протока половой системы (матки).

2.Детерминация и определение кто будет кто происходит на этапе L2 при участии гена lin-12 (кодирует мембранный рецептор).

3.У мутантов lin-12 (0) обе клетки становятся якорными, а у lin-12 (d) наоборот.

4.В норме обе клетки синтезируют сигнальное вещество, стимулирующее дифференциацию матки и синтезируют LIN-12, рецептор этого вещества.

5.Клетка, которая секретирует больше сигнального вещества, заставляет соседнюю усилить транскрипцию гена lin-12, увеличивая продукцию рецептора.

6. Клетка с большим количеством рецептора LIN-12 становится предшественницей матки, а другая – якорной клеткой.

7.Второй этап межклеточных взаимодействий происходит с участием якорной клетки (в составе гонады) и 6 клеток-предшественниц вульвы (в гиподерме возле гонады).

8.клетки-предшественницы P3.p, P4.p, P5.p, P6.p, P7.p, P8.p – судьба каждой из них определяется положением по отношению к якорной клетке:

P3.p, P4.p, P8.p – гиподерму образуют, P6.p влияет на P5.p и P7.p и они вместе образуют вульву.

Генетическая гетерогенность популяций. Факторы динамики генетического состава популяции: мутационный процесс, дрейф генов, изоляция, межпопуляционные миграции, действие отбора. Типы отбора: движущий, стабилизирующий, дизруптивный.

Генетическая гетерогенность – наличие в популяции разных аллелей генов. Генетическая гетерогенность природных популяций, как показали многочисленные эксперименты,— главнейшая их особенность. Она поддерживается за счет мутаций, процесса рекомбинации (только у форм с бесполым размножением вся наследственная изменчивость зависит от мутаций). Происходящая при половом размножении комбинаторика наследственных признаков дает неограниченные возможности для создания генетического разнообразия в популяции. Генетическая гетерогенность, поддерживаемая мутационным процессом и скрещиванием, позволяет популяции (и виду в целом) использовать для приспособления не только вновь возникающие наследственные изменения, но и те, которые возникли очень давно и существуют в популяции в скрытом виде. В этом смысле гетерогенность популяций обеспечивает существование мобилизационного резерва наследственной изменчивости (СМ. Гершензон, И.И. Шмальгаузен).

1. Мутации изменяют частоту генов в популяциях. Частота мутирования гена — 10-5 – 10-7 на поколение. Доминантные мутации проявляются уже в первом поколении и сразу же подвергаются действию естественного отбора. Рецессивные мутации (возникают значительно чаще) сначала накапливаются в популяции и только с появлением рецессивных гомозигот начинают проявляться фенотипически и подвергаться действию естественного отбора.

Насыщенность природных популяций рецессивными мутациями называется генетическим грузом и имеет большое значение для выживания вида. Накопление мутантных аллелей способствует комбинативной изменчивости, приводящей к генетической гетерогенности (генетическому полиморфизму) природных популяций. Мутационный процесс обеспечивает разнообразие эволюционного материала.

2. Дрейф генов - это случайные колебания частот генов в малых популяциях. Предположим, что на необитаемый остров попало зерно гетерозиготного самоопыляемого растения. Исходная популяция будет состоять на 100% из гетерозиготных особей (Аа). В первом поколении уже будет содержаться только 50% гетерозиготных особей: Р: Аа х Аа, F1 будет: АА + 2Аа + аа. Гомозиготы (АА и аа) дадут только гомозиготных потомков, а гетерозиготы — расщепление 1:1 (поровну гомо- и гетерозигот), поэтому в F2 уже будет 25% гетерозигот.

3. Изоляция - это ограничение свободы скрещивания. Она способствует дивергенции — разделению популяций на отдельные группы и изменению частот генотипов. Различают географический (горные хребты, реки, проливы и т.п.), генетический (неполноценность гибридов, различные наборы хромосом), экологический (различные экологические ниши, размножение при разных температурах) и морфофизиологический (различия в строении половых органов) типы изоляции.

4. Миграции особей. Генетическая структура популяций подвергается перестройке из-за поступления в нее новых особей из других популяций, перехода ряда особей в другие популяции, т. е. миграция особей приводит к обмену генов между популяциями. Влияние потока генов на динамику популяций тех или иных организмов зависит от скорости распространения гамет и расстояния между популяциями

5. Отбор. Наибольшее влияние на изменение структуры популяции оказывает отбор. Отбором называют процесс сохранения организмов, генотипы которых обеспечивают оптимальную их приспособленность к условиям среды и максимальную плодовитость. В случае выбраковки хотя бы части фенотипов соотношение гамет меняется, нарушается равновесие структуры популяции.

На структуру популяции оказывает влияние характер доминирования признаков, по которым ведется отбор. Отбор может быть направлен на сохранение особей с рецессивными, доминантными признаками, на сохранение гетерозигот.

При направлении отбора на сохранение особей, обладающих доминантным типом наследования, в структуре популяции в ряде поколений постепенно увеличивается доля организмов с генотипом (АА), доля рецессивных генотипов существенно уменьшается или полностью устраняется, гетерозиготность сохраняется.

Движущий отбор — форма естественного отбора, которая действует при направленном изменении условий внешней среды. Описали Дарвин и Уоллес. В этом случае особи с признаками, которые отклоняются в определённую сторону от среднего значения, получают преимущества. При этом иные вариации признака (его отклонения в противоположную сторону от среднего значения) подвергаются отрицательному отбору. В результате в популяции из поколения к поколению происходит сдвиг средней величины признака в определённом направлении. При этом давление движущего отбора должно отвечать приспособительным возможностям популяции и скорости мутационных изменений (в ином случае давление среды может привести к вымиранию).

Стабилизирующий отбор — форма естественного отбора, при которой его действие направлено против особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы, в пользу особей со средней выраженностью признака. Понятие стабилизирующего отбора ввел в науку и проанализировал И. И. Шмальгаузен.

Дизруптивный (разрывающий) отбор — форма естественного отбора, при которой условия благоприятствуют двум или нескольким крайним вариантам (направлениям) изменчивости, но не благоприятствуют промежуточному, среднему состоянию признака. В результате может появиться несколько новых форм из одной исходной. Дарвин описывал действие дизруптивного отбора, считая, что он лежит в основе дивергенции, хотя и не мог привести доказательств его существования в природе. Дизруптивный отбор способствует возникновению и поддержанию полиморфизма популяций, а в некоторых случаях может служить причиной видообразования.