колоквиум №2. 1. Предмет, задачи, методы генетики. История развития генетики. Роль отечественных ученых (Н. К. Кольцов, А. С. Серебровский, С. С. Четвериков) в развитии генетики
 Скачать 274.6 Kb.
|
|
4.Геномика, протеомика. Биоинформатика Геномика - направление современной молекулярной биологии, основными задачами которого являются секвенирование геномов (т. е. определение нуклеотидной последовательности суммарного набора молекул ДНК клетки какого-либо организма), их картирование (т. е. идентификация генов и локализация места их расположения на хромосоме) и сравнительный анализ структур геномов разных организмов. Эволюционная геномика (или сравнительная геномика) – основана на сравнении организации и содержимого геномов различных живых организмов. Функциональная геномика – опирается на подробное изучение функций генов, их влияние на активность и регуляцию других генов. Структурная геномика - выполняет секвенирование ДНК, на основе этого создаются и сравниваются геномные карты. Не стоит путать слова «Геномика» и «Генетика». Генетика изучает механизмы изменчивости и наследственности, а геномика – применяет на практике полученные знания. протеомика. Ее задача — определить все белки, синтезируемые в клетке, выяснить их строение, количество, локализацию, модификацию и механизмы взаимодействия. Клиническая протеомика – нахождение количества белков и их распознавание из образца(сыворотка крови, моча, спинномозговая жидкость, биопсия) и наблюдение за изменениями их концентрации. Протеомика гемостаза – заключается в расшифровке механизмов гомеостаза. Например, протеомика тромбоцитов – была получена новая информация о белках коагуляции, найдены неизвестные ранее мишени для новых лекарств секретогранина III, циклофилина А Структурная протеомика – получение информации не об одном, а о множестве белков одновременно. Уже разработан цикл специальных процедур и высокоточные приборы для проведения такого анализа. Сегодня до 96% медикаментозных средств воздействуют именно на белки. Практическая протеомика системными методами позволит ускорить процесс создания лекарственных препаратов, так необходимых многим, и создать лекарства от неизлечимых ранее болезней. Биоинформа́тика =математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика). =разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика). =исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем = В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях. 5.Понятия: генотип, фенотип, признак, аплельные и неаллельные гены, гомозиготные и гетерозиготные организмы, понятие гемизиготности. Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида. При оплодотворении геномы родителей объединяются и образуют клеточный генотип зиготы. Генотип – совокупность всех генов организма (генетическая конституция). Из генотипа зиготы в процессе онтогенеза возникает много сотен различных клеточных фенотипов. Отдельные клеточные фенотипы формируют фенотип всего организма. Весь процесс жизни от образования зиготы до естественной смерти контролируется генами. Генотип постоянно испытывает воздействие внешней среды, он взаимодействует со средой, что приводит к формированию всех признаков и свойств организма. Генотип — это генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в их хромосомном наборе — кариотипе. Фенотип – все признаки организма, формирующиеся в результате взаимодействия генотипа и среды. (Иогансен – 1803год) свойства любого организма зависят от генотипа и от среды, поэтому формирование организма – результат взаимодействия генетических факторов и факторов внешней среды. Фенотип (Phenotype) — присущая индивидууму совокупность всех признаков и свойств, которые сформировались в процессе его индивидуального развития. Признак - единица морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организмов (клеток), т. е. отдельное качество или свойство, по которому они отличаются друг от друга. гомозиготвы -диплоидный организм или клетка, несущий идентичные аллели в гомологичных хромосомах Гомозиготность, состояние наследственного аппарата организма, при котором гомологичные хромосомы имеют одну и ту же форму данного гена. гетерозиготы-диплоидный организм или клетка, несущий различные аллели в гомологичных хромосомах Гетерозиготность, присущее всякому гибридному организму состояние, при котором его гомологичные хромосомы несут разные формы (аллели) того или иного гена. гемизиготы-диплоидный организм, у которого имеется только один аллель данного гена или один сегмент хромосомы вместо обычных двух Гемизиготность состояние, связанное с тем, что у организма один или несколько генов не парные, т. е. не имеют аллельных партнёров. (В сцепленном с полом наследовании, Хr или ХR — r – дальтонзим) группы сцепления-Группа генов, локализованных на структурной единице генома и способных рекомбинировать друг с другом, обусловливая зависимое наследование Аллельные гены - различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологических хромосом. Аллели определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке могут присутствовать не более двух аллелей одного локуса одновременно. В одной гамете два аллеля находиться не могут. Неалле́льные ге́ны — это гены, расположенные в различных участках хромосом и кодирующие неодинаковые белки. Неаллельные гены также могут взаимодействовать между собой. 6. Взаимодействие аллельных генов (доминирование, неполное доминирование, кодоминирование). Полное доминирование — взаимодействие двух аллелей одного гена, когда доминантный аллель полностью исключает проявление действия второго аллеля. В фенотипе присутствует только признак, задаваемый доминантной аллелью. Неполное доминирование — доминантный аллель в гетерозиготном состоянии не полностью подавляет действие рецессивного аллеля. Гетерозиготы имеют промежуточный характер признака. Сверхдоминирование — более сильное проявление признака у гетерозиготной особи, чем у любой гомозиготной. Кодоминирование — проявление у гибридов нового признака, обусловленного взаимодействием двух разных аллелей одного гена. Фенотип гетерозигот не является чем-то промежуточным между фенотипами разных гомозигот. 7.Множественный аллелизм. Генетика групп крови. Множественный аллелизм — различные состояния (три и более) одного и того же локуса хромосом, возникшие в результате мутаций. Присутствие в генофонде вида одновременно различных аллелей гена называют множественным аллелизмом. Примером этому служат разные варианты окраски глаз у плодовой мухи: белая, вишневая, красная, абрикосовая, эозиновая,— обусловленные различными аллелями соответствующего гена. У человека, как и у других представителей органического мира, множественный аллелизм свойствен многим генам. Так, три аллеля гена I определяют групповую принадлежность крови по системе АВ0 (IA, IB, I0). Два аллеля имеет ген, обусловливающий резус-принадлежность. Более ста аллелей насчитывают гены α- и β-полипептидов гемоглобина. Причиной множественного аллелизма являются случайные изменения структуры гена (мутации), сохраняемые в процессе естественного отбора в генофонде популяции. Многообразие аллелей, рекомбинирующихся при половом размножении, определяет степень генотипического разнообразия среди представителей данного вида, что имеет большое эволюционное значение, повышая жизнеспособность популяций в меняющихся условиях их существования. Кроме эволюционного и экологического значения аллельное состояние генов оказывает большое влияние на функционирование генетического материала. В диплоидных соматических клетках эукариотических организмов большинство генов представлено двумя аллелями, которые совместно влияют на формирование признаков. . У человека серией множественных аллелейпредставлен ген, определяющий группу крови. При этом гены, обусловливающие группы крови А и В, не являются доминантными по отношению друг к другу и оба доминантны по отношению к гену, определяющему группу крови О. Следует помнить, что в генотипе диплоидных организмов могут находиться только два гена из серии аллелей. Остальные аллели данного гена в разных сочетаниях входят в генотип других особей данного вида. Таким образом, множественный аллелизм характеризует разнообразие генофонда целого вида, т. е. является видовым, а не индивидуальным признаком. Система групп крови АВО Система групп крови ABO - это основная система групп крови, которая используется при переливании крови у людей. Ассоциированные анти-А и анти-В-антитела (иммуноглобулины), обычно относятся к типу IgM, которые, как правило, образуются в первые годы жизни в процессе сенситизации к веществам, которые находятся вокруг, в основном таких, как продукты питания, бактерии и вирусы. Система групп крови ABO также присутствует у некоторых животных, например, у обезьян (шимпанзе, бонобо и горилл). . Наследование групп крови системы АВО. В системе АВО синтез агглютиногенов и агглютининов определяется аллелями гена I:I0, IA, IB. Ген I контролирует и образование антигенов, и образование антител. При этом наблюдается полное доминирование аллелей IA и Ю над аллелем I0, но совместное доминирование (кодоминирование) аллелейIА и IB. Из-за кодоминирования наследование групп крови системы АВО происходит сложным образом. Например, если мать гетерозиготна по II группе, крови (генотип IAI0), а отец гетерозиготен по Ш группе крови (генотип IBI0), то в их потомстве с равной вероятностью может родиться ребенок с любой группой крови. Если у матери I группа крови (генотип I0I0), а у отца IV группа крови (генотип IАIB), то в их потомстве с равной вероятностью может родиться ребенок или со П (генотип IAI0), или с III (генотип IBI0) группой крови (но не с I, и не с IV). 8.Взаимодействие неаллельных генов (комплементарность, эпистаз, полимерия, модифицирующее действие генов). Комплементарность – явление, при котором 2 неаллельных гена. Находясь в генотипе, одновременно приводят к формированию нового признака. Если присутствует один из пары – проявляется он. Примером служат группы крови у человека. Комплементарность может быть доминантная и рецессивная. Для того чтобы человек имел нормальный слух, необходимо чтобы работали, согласовано многие гены, и доминантные и рецессивные. Если, хотя бы по одному гену он будет гомозиготен по рецессиву – слух будет ослаблен. Комплементарность — взаимодействие неаллельных генов, ко-торые обусловливают развитие нового признака, отсутствующего у родителей. Эпистаз – такое взаимодействие генов, когда ген одной аллельной пары маскируется действием другой аллельной пары. Это обусловлено тем, что ферменты катализируют разные процессы клетки, Когда на одном метаболическом пути действуют несколько генов. Действие их должно быть согласовано во времени. Механизм: если В выключится, он замаскирует действие С В – эпистатический ген С – гипостатический ген  Подавляющий ген называется геном-супрессором, а подавляемый --гипостатическим геном. По-видимому, действие гена-супрессора на подавляемый ген сходно с принципом доминантность - рецессивность. Но существенное различие заключается в том, что эти гены не являются аллельными, т. е. расположены в негомологичных хромосомах или занимают различные локусы в гомологичных. Различают доминантный рецессивный эпистаз. При доминантном эпистазе доминантный аллель гена-супрессора подавляет проявление доминантного аллеля другого гипостатического гена. При рецессивном эпистазе, или криптомерии, рецессивный аллель большинство) отличаются изменяющейся Э. У кроликов и некоторых других животных известен рецессивный ген гималайской («горностаевой») окраски, обусловливающей своеобразную пятнистость меха (на белом или светлом фоне кончики лап, ушей, морды и хвоста имеют чёрную окраску). Однако такая окраска развивается только при выращивании молодняка гималайской породы при умеренных температурах. При повышенной температуре весь мех у особей того же гималайского генотипа оказывается белым, а при пониженной — чёрным. Этот пример указывает на то, что на Э. влияют факторы внешней среды, в данном случае температуры. Полимерия. Если гены располагаются, каждый в своем отдельном локусе, но их взаимодействие проявляется в одном и том же направлении – это полигены. Один ген проявляет признак незначительно. Полигены дополняют друг друга и оказывают мощное действие – возникает полигенная система – т. е. система является результатом действия одинаково направленных генов. Гены подвергаются значительному влиянию главных генов, которых более 50. полигенных систем известно множество. При сахарном диабете наблюдается умственная отсталость. Рост, уровень интеллекта - определяются полигенными системами Наследование признаков при полимерном взаимодействии генов. В том случае, когда сложный признак определяется несколькими парами генов в генотипе и их взаимодействие сводится к накоплению эффекта действия определенных аллелей этих генов, в потомстве гетерозигот наблюдается разная степень выраженности признака, зависящая от суммарной дозы соответствующих аллелей. Например, степень пигментации кожи у человека, определяемая четырьмя парами генов, колеблется от максимально выраженной у гомозигот по доминантным аллелям во всех четырех парах (Р1Р1Р2Р2Р3Р3Р4Р4) до минимальной у гомозигот по рецессивным аллелям (р1р1р2р2р3р3р4р4) (см. рис. 3.80). При браке двух мулатов, гетерозиготных по всем четырем парам, которые образуют по 24 = 16 типов гамет, получается потомство, 1/256 которого имеет максимальную пигментацию кожи, 1/256 — минимальную, а остальные характеризуются промежуточными показателями экспрессивности этого признака. В разобранном примере доминантные аллели полигенов определяют синтез пигмента, а рецессивные — практически не обеспечивают этого признака. В клетках кожи организмов, гомозиготных по рецессивным аллелям всех генов, содержится минимальное количество гранул пигмента. В некоторых случаях доминантные и рецессивные аллели полигенов могут обеспечивать развитие разных вариантов признаков. Например, у растения пастушьей сумки два гена одинаково влияют на определение формы стручочка. Их доминантные аллели образуют одну, а рецессивные — другую форму стручочков. При скрещивании двух дигетерозигот по этим генам (рис. 6.16) в потомстве наблюдается расщепление 15:1, где 15/16 потомков имеют от 1 до 4 доминантных аллелей, а 1/16, не имеет доминантных аллелей в генотипе. Модифицирующее действие. Гены модификаторы сами по себе не определяют какой - то признак, но могут усиливать или ослаблять действие основных генов, вызывая таким образом изменение фенотипа. В качестве примера обычно приводится наследование пегости у собак и лошадей. Числового расщепления никогда не даётся, так как характер наследования больше напоминает полигенное наследование количественных признаков. 1919 год Бриджес ввел термин ген-модификатор. Теоретически любой ген может взаимодействовать с другими генами, а значит, и проявлять модифицирующее действие, но некоторые гены – модификаторы в большей степени. Они часто не имеют собственного признака, но способны усиливать или ослаблять проявление признака, контролируемого другим геном. В формировании признака кроме основных генов проявляют свое действие и модифицирующие гены. Брахидактилия – может быть резкая или незначительная. Помимо основного гена, есть еще модификатор, который усиливает эффект. Окраска млекопитающих – белая, черная + модификаторы. 9.Количественная и качественная специфика проявления генов в признаках: пенетрантность, экспрессивность, плейотропное действие генов, генокопии. Никакие признаки не наследуются. Признаки развиваются на основе взаимодействия генотипа и среды. Наследуется только генотип, т. е. комплекс генов, который определяет норму биологической реакции организма, изменяющую проявление и выраженность признаков в разных условиях среды. Таким образом, организм реагирует на свойства внешней среды. Иногда один и тот же ген в зависимости от генотипа и от условий внешней среды по-разному проявляет признак или меняет полноту выраженности. Экспрессивность-степень фенотипич. проявления одного и того же аллеля определённого гена у разных особей Образно ее можно сравнить со степенью тяжести болезни в клинической практике. Экспрессивность подчиняется законам распределения Гаусса (некоторые в малом или среднем количестве). В основе изменчивости экспрессивности лежат и генетические факторы, и факторы внешней среды. Экспрессивность – очень важный показатель фенотипического проявления гена. Количественно ее степень определяют, используя статистический показатель. Генетический признак может даже не проявляться в некоторых случаях. Если ген есть в генотипе, но он вовсе не проявляется – он пенетрирован. (русский ученый Тимофеев-Рисовский 1927 год). Пенетрантность – количество особей (%), проявляющих в фенотипе данный ген, по отношению к количеству особей, у которых этот признак мог бы проявиться. Пенетрантность свойственна проявлению многих генов. Важен принцип – «все или ничего» - либо проявляется, любо нет. Проявление гена у 100% особей с соответствующим генотипом называется полной П., в остальных случаях —неполной П. Неполная П. свойственна проявлению многих генов человека, животных, растений и микроорганизмов. Например, некоторые наследственные болезни человека развиваются только у части лиц, в генотипе которых присутствует аномальный ген; у остальных же наследственное предрасположение к болезни остаётся нереализованным. Неполная П. гена обусловлена сложностью и многоступенчатостью процессов, протекающих от первичного действия генов на молекулярном уровне до формирования конечных признаков на уровне целостного организма. П. гена может варьировать в широких пределах в зависимости от генотипической среды. Путём селекции можно получать линии особей с заданным уровнем П. Средний уровень П. зависит также от условий среды. Ген может действовать плейотропно (множественно), т. е. опосредовано влиять на течение разных реакций и развитие многих признаков. Гены могут оказывать влияние на другие признаки на разных стадиях онтогенеза. Если ген включается в позднем онтогенезе, то оказывается незначительное действие. Если на ранних стадиях – изменения более значительны. Плейотропия (от греч. Pleion— более многочисленный, больший и tropos — поворот, направление), множественное действие гена, способность одного наследственного фактора — гена — воздействовать одновременно на несколько разных признаков организма. генов, расположенных в разных участках хромосомы или в разных хромосомах (т. н. мутантные аллели). Явление Г., установленное прежде всего на высших организмах, свидетельствует о сложном характере наследования многих признаков. Биохимическая природа Г. заключается в наличии в клетке несколько параллельных путей синтеза тех или иных её компонентов например, синтез тимидаловой кислоты в бактериальной клетке может осуществляться как из уридиловой, так и из цитидиловой кислот). Разные мутации, действие которых реализуется через один и тот же процесс или орган) могут с неодинаковой полнотой копировать друг друга по своему конечному эффекту; в свою очередь, их конечный эффект может имитироваться при действии различных внешних факторов (см. Фенокопия). Явления Г. фенокопии очень важны для понимания механизмов реализации наследственных (при Г.) и ненаследственных (при фенокопиях) аномалий и болезней у человека. Норма реакции-способность генотипа формировать в онтогенезе, в зависимости от условий среды, разные фенотипы) Генокопии (лат. genocopia) — это сходные фенотипы, сформировавшиеся под влиянием разных неаллельных генов. То есть это одинаковые изменения фенотипа, обусловленные аллелями разных генов, а также имеющие место в результате различных генных взаимодействий или нарушений различных этапов одного биохимического процесса с прекращением синтеза. Проявляется как эффект определенных мутаций, копирующих действие генов или их взаимодействие. термин в 1957 г. предложил немецкий генетик Нахтсхейм (H. Nachtsheim |