генетика экзамен. 1. Генетика как наука. Предмет и задачи генетики
 Скачать 194.24 Kb.
|
|
Учет мутаций у человека проводится двумя методами — прямым и непрямым. Прямой метод применим в основном к доминантным мутациям. Он сводится к регистрации частоты детей с ярко выраженными доминантными признаками, которые родились от родителей, не имевших этих признаков. Правда, прежде необходимо убедиться, что 1) пенетрантность, т. е. частота проявления аллеля определенного гена у разных особей родственной группы организмов данного гена, полная*; 2) данный признак никогда не возникает под действием рецессивных аллелей; 3) признак не порождается ненаследственными факторами; 4) признак обусловлен доминантным геном только одного локуса. Если хотя бы одно из перечисленных условий не подтверждено, результаты подсчета частоты мутирования гена окажутся неточными. Частоту мутаций правильнее выражать не числом родившихся мутантных особей, а числом мутантных аллелей. Так, если мутантный организм появляется с частотой 1 особь на 12 тыс., то частота мутантного аллеля (один на 24 тыс.) равна 4-Ю-5. Непрямой метод основан на генетико-популяционных расчетах. Применение прямого и непрямого методов дало возможность установить частоту мутирования нормальных аллелей BL доминантные патологические для более чем десятка различных генов 35 Мутагены, их классификация и характеристика. Генетическая опасность загрязнения природной среды мутагенами. Мутагены — химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения — мутации. Впервые искусственные мутации получены в 1925 году Г. А. Надсеном иГ. С. Филипповым у дрожжей действием радиоактивного излучения радия; в 1927 году Г. Мёллер получил мутации у дрозофилы действием рентгеновских лучей. Способность химических веществ вызывать мутации (действиемиода на дрозофилы) открыта И. А. Рапопортом. У особей мух, развившихся из этих личинок, частота мутацийоказалась в несколько раз выше, чем у контрольных насекомых.По происхождению (:) на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.По природе возникновения (:) на физические, химические и биологические:Физические мутагены: 1ионизирующее излучение; 2радиоактивный распад; 3ультрафиолетовое излучение; 4чрезмерно высокая или низкая температура.Химические мутагены: 1некоторые алкалоиды: колхицин - один из самых распространённых в селекции мутагенов. 2окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода); 3нитропроизводныемочевины - часто применяются в сельском хозяйстве;этиленимин, этилметансульфонат, диметилсульфат, 1,4-бисдиазоацетилбутан (известный как ДАБ);некоторые пестициды; некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты); продукты переработки нефти; органические растворители;лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).Биологические мутагены: специфические последовательности ДНК — транспозоны; некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа); продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);антигены некоторых микроорганизмов.Физическими мутагенами называются любые физические воздействия на живые организмы, которые оказывают либо прямое влияние на ДНК или вирусную РНК, либо опосредованное влияние через системы репликации, репарации, рекомбинации- это разные виды излучений: ионизирующее излучение, радиоактивный распад, ультрафиолетовое излучение.Первичный их эффект в образовании одиночных или двойных разрывов в молекуле ДНК. УФ сильно поглощается тканями и вызывает мутации лишь в поверхностно расположенных клетках многоклеточных животных, однако на одноклеточных он действует эффективно. Ионизирующее излучение – это поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. изотопы, которых радиоактивны. К таким элементам относятся все естественные элементы с атомным номером выше 83 (Bi). Вредное воздействие радиоактивных элементов определяется ионизирующим излучением, характер которого зависит от типа радиоактивного распада данного изотопа.Существуют естественные радионуклиды, образующиеся под действием постоянно попадающего на Землю космического излучения и техногенные.К загрязнению атмосферы радионуклидами приводят ядерные реакторы, работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продукты их распада. При сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу.К загрязнению почвы радионуклидами может приводить использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье, которое используют при производстве этих удобрений. При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы и передаются дальше по трофическим цепям.Другими физическими мутагенами являются частицы разной природы, имеющие высокую энергию: это альфа- и бета-излучения радиоактивных веществ и нейтронное излучение. В случае прямого влияния на ДНК основную роль играют два параметра: величина энергии воздействующей частицы и способность биологического материала поглощать эту энергию.Повреждения ДНК могут быть двух типов: двунитевые и однонитевые разрывы.Мутации может вызывать также высокая или низкая температура. В 1928 г. Меллер показал, что повышение температуры на 10 градусов по С повышает частоту мутаций у дрозофил в 2-3 раза. Очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем.Физические факторы вызывают те же мутации, которые возникают и при спонтанном мутагенезе.К химическим мутагенам относятся многие химические соединения самого разнообразного строения. Наибольшую мутагенную активность проявляют различные алкилирующие соединения, а также нитрозосоединения, некоторые антибиотики, обладающие противоопухолевой активностью.Химические мутагены делят на мутагены прямого действия (соединения, реакционная способность которых достаточна для химической модификации ДНК, РНК и некоторых белков), и мутагены непрямого действия (промутагены - вещества, которые сами по себе инертны, но превращаются в организме в мутагены, в основном в результате ферментативного окисления).Мишенью действия мутагенов в клетке являются ДНК и некоторые белки. Ряд мутагенов вызывают мутации, не связываясь ковалентно с ДНК. В этом случае матричный синтез на ДНК протекает с ошибками. В синтезируемой нити ДНК оказывается на один нуклеотид больше или меньше обычного и возникают мутации.Существуют мутагены, ингибирующие синтез предшественников ДНК. В результате происходит замедление или даже остановка синтеза ДНК. Мутагенные и канцерогенные свойства химических веществ тесно связаны между собой. Поэтому выявление возможных мутагенов в окружающей среде, испытание на мутагенность продуктов промышленного синтеза (красители, лекарственные средства, пестициды и др.) - важная задача современной генетики.Установлено, что мутагенной активностью обладает несколько тысяч химических соединений. Однако в отличие от ионизирующего и ультрафиолетового излучений для химических мутагенов характерна специфичность действия, зависящая от природы объекта и стадии развития клетки. При взаимодействии химических мутагенов с компонентами наследственных структур (ДНК и белками) возникают первичные повреждения последних. В дальнейшем эти первичные повреждения ведут к возникновению мутаций.К биологическим мутагенам относят ДНК- и РНК-содержащие вирусы, некоторые полипептиды и белки, например О-стрептолизин и ряд ферментов рестриктаз, а также препараты некоторых ДНК и определенные плазмиды.Механизмы образования мутаций при действии различных биологических факторов не вполне ясны, однако агенты, содержащие нуклеиновые кислоты, могут вызывать нарушение процессов рекомбинации, что приводит к возникновению мутаций. Действие рестриктаз сводится к «разрезанию» цепей ДНК в месте (локусе) определенной последовательности нуклеотидов, специфичном для каждой рестриктазы.Биологические мутагены: - специфические последовательности ДНК – транспозоны;- некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа); - продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);Транспозоны – один из классов мобильных элементов генома которые, встраиваясь в геном, могут вызывать мутации, в том числе и такие значительные как хромосомные перестройки.Они играют важную роль в процессах переноса лекарственной устойчивости среди микроорганизмов, рекомбинации, и обмена генетическим материалом между различными видами как в природетак и в ходе генно-инженерных исследований.Проблема заключается в том, что ускорение частоты мутаций ведет к увеличению числа особей с врожденными дефектами и вредными отклонениями, передающимися по наследству.Главная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами, как полагают генетики, заключается в том, что вновь возникающие мутации, не "переработанные" эволюционно, отрицательно повлияют на жизнеспособность любых организмов. Мутагены окружающей среды влияют на величины рекомбинаций наследственных молекул, являющихся также источником наследственных изменений. 36. Хромосомные перестройки, их типы и роль в эволюции Причины - вызываются значительными изменениями в структуре хромосом ( перераспределении наследственного материала хромосом )
( общее число описанных хромосомных мутаций – синдромов у человека превышает 700 ; наиболее часто это пороки развития головного мозга , опорно - двигательной , сердечно - сосудистой и мочеполовой систем умственная отсталость , физическое недоразвитие , бесплодие )
Внутрихромосомные перестройки :
Межхромосомные мутации :
37. Особенности мейоза у гетерозигот по различным хромосомным перестройкам. Хромосомные перестройки, хромосомные мутации, структурные изменения хромосом, возникающие вследствие разрывов в них, сопровождающихся в большинстве случаев воссоединением образовавшихся кусков в иных сочетаниях, чем в исходных хромосомах. Структурные перестройки могут происходить как в пределах одной хромосомы, так и между гомологическими и негомологическими хромосомами и состоят в выпадении (делеция) или удвоении (дупликация) какого-либо участка хромосомы, в перенесении его в др. сегмент хромосомы (транслокация); наконец, участок может оказаться перевёрнутым на 180°, оставаясь в той же хромосоме (инверсия). Делеции и дупликации нарушают генный баланс, что ведёт к изменению признаков организма. Инверсии, изменяющие лишь порядок расположения генов в хромосоме, и транслокации, при которых гены перемещенного участка попадают в др. группу сцепления, не нарушают генного баланса и не изменяют фенотипических признаков организма. При мейозе у гетерозигот, содержащих одну нормальную хромосому и одну с инверсией, сближение этих хромосом затруднено, кроссинговер между ними подавлен или идёт с пониженной частотой, нередко возникают анеуплоидные гаметы (см. Анеуплоидия), поэтому такие организмы отличаются пониженной плодовитостью по сравнению с гомозиготами, у которых обе хромосомы данной пары несут инверсию или обе нормальны. Гетерозиготы по хромосомам, несущим транслокацию, дают много анеуплоидных гамет, поэтому плодовитость их ниже, чем у гомозиготных организмов. Изменения структуры хромосом в предшественниках гамет сопровождаются нарушением процесса конъюгации гомологов в мейозе и их последующего расхождения. Так, делении или дупликации участка одной из хромосом сопровождаются при конъюгации образованием петли гомологом, имеющим избыточный материал. Реципрокная транслокация между двумя негомологичными хромосомами приводит к образованию при конъюгации не бивалента, а квадривалента, в котором хромосомы образуют фигуру креста благодаря притягиванию гомологичных участков, расположенных в разных хромосомах (рис. 3.62). Участие в реципрокных транслокациях большего числа хромосом с образованием поливалента сопровождается формированием еще более сложных структур при конъюгации. Конъюгация и последующее расхождение структур, образованных измененными хромосомами, приводит к появлению новых хромосомных перестроек. В результате гаметы, получая неполноценный наследственный материал, не способны обеспечить формирование нормального организма нового поколения. Причиной этой является нарушение соотношения генов, входящих в состав отдельных хромосом, и их взаимного расположения. Однако, несмотря на неблагоприятные, как правило, последствия хромосомных мутаций, иногда они оказываются совместимыми с жизнью клетки и организма и обеспечивают возможность эволюции структуры хромосом, лежащей в основе биологической эволюции. Так, небольшие по размеру делении могут сохраняться в гетерозиготном состоянии в ряду поколений. Менее вредными, чем делении, являются дупликации, хотя большой объем материала в увеличенной дозе (более 10% генома) приводит к гибели организма. основные типы хромосомных аберраций. Фрагментация – это дробление хромосом с образованием множества различных фрагментов. У некоторых организмов существуют полицентрические хромосомы, и при фрагментации каждый из фрагментов получает центромеру, тогда он может нормально реплицироваться и участвовать в делении клетки. Концевые нехватки, или дефишенси – потери концевых, теломерных участков хромосом. В результате образуются линейные фрагменты, лишенные центромеры (линейные ацентрики). Ацентрики не участвуют в делении клетки и утрачиваются. Нехватки внутренних участков, или делеции – потери участков хромосом, не затрагивающие теломеры. Утраченные участки, лишенные центромер, обычно образуют кольцевые ацентрики, которые также утрачиваются. Дупликации – это удвоения участков хромосом. В результате возникают тандемные последовательности генов, например: abcabc. Дупликации – один из путей возникновения новых генов. Инверсии – повороты участков хромосом на 180°. Различают перицентрические инверсии (инвертированный участок включает центромеру) и парацентрические (инвертированный участок лежит в одном из плеч хромосомы вне центромеры). У гетерозигот при перекресте нормальных и инвертированных хромосом возникают ацентрики и дицентрики; в результате возникают неполноценные клетки, и продукты кроссинговера не переходят в последующие поколения (поэтому инверсии образно называют «запирателями кроссинговера»). Таким образом, инверсии способствуют сохранению целых блоков генов – супергенов. Если инверсии сочетаются с дупликациями, то могут возникать палиндромы, например: abccba. Транспозиции – это перемещения участков хромосомы в другие локусы (точки) этой же хромосомы. Существуют участки хромосом, склонные к транспозициям, их называют «прыгающими генами», мобильными генетическими элементами, или транспозонами. При транспозициях гены, изменившие свое положение, могут изменять свою активность – такое явление называется эффектом положения. В результате эффекта положения гены изменять свои первоначальные функции, что приводит, в сущности, к появлению новых генов. Транслокации – это перемещения участков хромосомы или всей хромосомы в другую хромосому. В некоторых случаях происходит полное слияние гомологичных хромосом с образованием двуцентромерных структур – дицентриков. В других случаях из двух акроцентрических хромосом образуется одноцентромерная двуплечая хромосома. Такое слияние хромосом называется робертсоновской транслокацией. Робертсоновские транслокации часто встречаются у грызунов. 38. Автополиплоиды и их генетические особенности. Автополиплоиды – это организмы, у которых один и тот же хромосомный набор х (геном) повторяется несколько раз. К автополиплоидам относятся триплоиды (2n=3x), тетраплоиды (2n=4x) и т.д. Таким образом, в соматических клетках одна и та же хромосома представлена несколькими гомологами (3, 4 и более). В результате в профазе I вместо бивалентов возможно образование унивалентов (одиночных хромосом), тривалентов (структур из трех хромосом), квадривалентов (структур из четырех хромосом) и даже мультивалентов. Нормальная редукция числа хромосом оказывается нарушенной, поэтому несбалансированные (нечетные) полиплоиды практически бесплодны, а у сбалансированных (четных) полиплоидов плодовитость значительно снижена. Например, у тетраплоидов (4n) при сегрегации хромосом в соотношении 2:2 должны образовываться диплоидные гаметы (4n/2=2n), однако несложные расчеты показывают, что из-за неравной сегрегации в соотношении 3:1 или 4:0 количество нормальных диплоидных гамет составляет лишь 0,375 от общего числа гамет. В то же время, у некоторых тетраплоидных растений (свеклы, гречихи, ржи) образуются преимущественно биваленты (просто их в 2 раза больше, чем у диплоидов) и квадриваленты, и плодовитость в этом случае практически не снижается. Автополиплоиды образуются посредством увеличения числа хромосомных наборов у отдельных особей одного вида. 39. Аллополиплоиды и их генетические особенности. Синтез и ресинтез видов. Аллополиплоиды — полиплоидные растения, полученные в результате кратного увеличения генома организма, возникшего в результате отдаленной межвидовой или межродовой гибридизации. Полиплоиды, полученные в результате отдаленной гибридизации, то есть от скрещивания организмов, принадлежащих к различным видам, и содержащие два и более набора разных хромосом, называются аллополиплоиды. Например, при слиянии редуцированных гамет, содержащих геном вида А, и редуцированных гамет, содержащих геном вида В, образуются гибридные амфигаплоиды АВ. Мейоз у аллополиплоидов. Аллополиплоиды первично бесплодны, поскольку из-за отсутствия гомологов невозможна конъюгация хромосом и образование бивалентов в профазе мейоза I. Таким образом, при отдаленной гибридизации возникает мейотический фильтр, препятствующий передаче наследственных задатков в последующие поколения половым путем. Однако, если геномы А и В будут удвоены, то произойдет полиплоидизация с образованием кариотипа ААВВ. Такие организмы называются аллотетраплоиды, или амфидиплоиды (двойные диплоиды). В этом случае фертильность восстанавливается, поскольку теперь хромосомы представлены парными гомологами и могут образовывать нормальные биваленты. Для разных вариантов сочетаний геномов разработана специальная номенклатура, например, организмы с геномной формулой ААВ или АВВ называются сесквиполиплоидами. Аллополиплоиды широко распространены среди культурных растений. Например, твердые аллотетраплоидные пшеницы с 2n = 28 имеют геномную формулу ААВВ, а мягкие аллогексаплоидные пшеницы с 2n = 42 – геномную формулу AABBDD. В данном случае хромосомы разных геномов сохраняют сходство между собой, хотя конъюгации между ними маловероятна. Такие хромосомы называются гомеологичными. В природе аллополиплоиды встречаются и среди животных, например, среди некоторых рыб и амфибий. Аллополиплоиды можно получать искусственным путем. Например, рафанобрассика (редечно-капустный гибрид, синтезированный Г.Д. Карпеченко) была получена путем скрещиванием редьки (2n = 18) и капусты (2n = 18). Хромосомы редьки обозначаются символом R, а хромосомы капусты – символом B. Первоначально полученный амфигаплоид имел геномную формулу 9R + 9B. Этот организм был бесплодным, поскольку в мейозе образовывалось 18 унивалентов и ни одного бивалента. Однако у этого гибрида некоторая часть гамета оказалась нередуцированными. При слиянии этих гамет был получен амфидиплоид: (9R + 9B) + (9R + 9B) → 18R + 18B. У этого организма каждая хромосома представлена парой гомологов, что обеспечило нормальное образование бивалентов и нормальную сегрегацию хромосом в мейозе: 18R + 18B → (9R + 9B) + (9R + 9B). В настоящее время ведется работа по созданию искусственных амфидиплоидов у растений (например, пшенично-ржаных гибридов (тритикале), пшенично-пырейных гибридов) и животных (например, гибридных шелкопрядов). 40. Анеуплоиды, их типы и генетические особенности. Анеуплоидия у человека. Анеуплоиди́я (греч. an + eu + ploos + eidos — отрицательная приставка + вполне + кратный + вид) — наследственное изменение, при котором число хромосом в клетках не кратно основному набору. Может выражаться, например, в наличии добавочной хромосомы (n + 1, 2n + 1 и т. п.) или в нехватке какой-либо хромосомы (n — 1, 2n — 1 и т. п.). Анеуплоидия может возникнуть, если в анафазе I мейоза гомологичные хромосомы одной или нескольких пар не разойдутся. В этом случае оба члена пары направляются к одному и тому же полюсу клетки, и тогда мейоз приводит к образованию гамет, содержащих на одну или несколько хромосом больше или меньше, чем в норме. Это явление известно под названием нерасхождение. Когда гамета с недостающей или лишней хромосомой сливается с нормальной гаплоидной гаметой, образуется зигота с нечетным числом хромосом: вместо каких-либо двух гомологов в такой зиготе их может быть три или только один. Зигота, в которой количество аутосом меньше нормального диплоидного, обычно не развивается, но зиготы с лишними хромосомами иногда способны к развитию. Однако из таких зигот в большинстве случаев развиваются особи с резко выраженными аномалиями. |