Биология. Итог по генетике. Генетика как наука. Предмет и задачи генетики. Наследственность и изменчивость (определение). Основные этапы развития генетики, их краткая характеристика. Роль генетики в современной биологии и медицине
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
Клеточная инженерия [8] использует методы (клеточная селекция и соматическая гибридизация) введения культур и клеток и их практического использования. Клеточная селекция основана на выращивании клеток (как растительных, так и животных) вне организма на специально подобранных средах в регулируемых условиях. Соматическая гибридизация - это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Генная инженерия - совокупность методов, позволяющих осуществить генетическую информацию, перенос (трансгенез) чужеродных генов из одного организма в другой [8]. По Э.С. Пирузян генетическая инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК. Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение "биологических реакторов" - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностировать генетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний [10]. Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы [10]: · специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами; · быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им; · конструирование рекомбинантной ДНК; · гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот; · клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий; · введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы. Клонирование - получение нескольких генетически идентичных организмов естественным путем или путем бесполого размножения. В [3] выделяют другую классификацию методов биотехнологии: I. Методы, которые используются при исследовании фундаментальных механизмов функционирования биологических систем. Это современные методы биохимии, генетики, молекулярной биологии, иммунологии и других биологических наук. Используя арсенал этих методов, биотехнологи решают такие фундаментальные задачи как механизмы структурно-функциональной организации продуцентов. II. Методы, которые позволяют осуществить реконструкцию биологических объектов, использующихся в биотехнологии (методы молекулярной биотехнологии). Эти методы, в свою очередь, можно разбить на 2 группы: 1) конструирование векторов и рекомбинантных ДНК, т.е. молекулярные манипуляции; 2) гибридизация клеток, т.е. клеточный уровень. III. Специфические методы крупномасштабного (промышленного) культивирования биообъектов, которые позволяют получать целевой продукт в промышленном объеме. Особенность методов биотехнологии связана с тем, что все продуценты осуществляются в асептических (стерильных) условиях, т.е. в условиях, исключающих возможность попадания в среду культивирования биообъектов болезнетворных (патогенных) и не болезнетворных (сапрофитных) микроорганизмов. Технология получения рекомбинантных ДНК включает следующие методические подходы: 1. Специфическое расщепление ДНК эндонуклеазами рестрикции, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами. 2. Быстрое секвенирование всех нуклеотидов в определенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и кодируемую им аминокислотную последовательность. 3. Конструирование рекомбинантной ДНК. 4. Гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять с большой точностью и чувствительностью специфические последовательности РНК или ДНК, основанные на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот. 5. Клонирование ДНК путем введения ее фрагмента в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий, или амплификация in vitro; создание геномных библиотек. 6. Введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы. Остановимся на этих технологиях более подробно. Ферменты Большинство ферментов выделяют из клеток бактерий и используют для «разрезания» или «сшивания» ДНК как прокариотических, так и эукариотических клеток. Применяемые при конструировании рекомбинантных ДНК ферменты можно подразделить на несколько групп: — ферменты, с помощью которых выделяют фрагменты ДНК (рестриктазы); — ферменты, синтезирующие ДНК на матрице ДНК (ДНК-полимеразы) или РНК (обратные транскриптазы, ревертазы ); — ферменты, соединяющие фрагменты ДНК (лигазы); — ферменты, изменяющие строение концов фрагментов ДНК. Рестриктазы (эндонуклеазы рестрикции) — ферменты, с помощью которых выделяют фрагменты ДНК. Эти высокоспецифичные ферменты узнают и расщепляют определенные последовательности азотистых оснований в молекуле ДНК (сайты рестрикции). В генетической инженерии рестриктазы предназначены для вырезания необходимых участков из молекул донорной ДНК. Современные и новейшие методы биотехнологии Генная и клеточная инженерия являются главными современными методами биотехнологии. В основе клеточной инженерии – создание и модификация клеток. Ученые постоянно занимаются исследованиями, чтобы в результате получать новые клетки из уже существующих. Для этого в лабораториях проводятся многочисленные опыты. Чаще всего в ходе экспериментов соединяются свойства разных клеток для получения новой. Генная инженерия действует на генетическом уровне. Генные инженеры стараются найти новые комбинации генов, которых нет в природе.В целом процесс можно описать следующим образом: из определенных клеток собирают гены для считывания некоего вещества; далее, проводится процесс адаптации для более плавного и гармоничного внедрения гена в чужеродную клетку; в итоге получается измененная генетически ДНК, которая запрограммирована на выработку исходных веществ. Измененные генетически растения и животные называют трансгенными. Сейчас большинство товаров, которые находятся в супермаркетах и на рынках, получают из трансгенных Закономерности наследования. Генотип и фенотип (определение). Понятие об аллльных генах. Мультифакториальный принцип формирования фенотипа как выражение диалектического единства генетических и средовых факторов. Понятие среды 1-го, 2-го и 3-го порядка. Генотип — совокупность генов данного организма, которая, в отличие от понятий генома и генофонда, характеризует особь, а не вид (ещё отличием генотипа от генома является включение в понятие «геном» некодирующих последовательностей, не входящих в понятие «генотип»). Вместе с факторами внешней среды определяет фенотип организма. Обычно о генотипе говорят в контексте определенного гена, у полиплоидных особей он обозначает комбинацию аллелей данного гена (см. гомозигота, гетерозигота). Большинство генов проявляются вфенотипе организма, но фенотип и генотип различны по следующим показателям: 1. По источнику информации (генотип определяется при изучении ДНК особи, фенотип регистрируется при наблюдении внешнего вида организма). 2. Генотип не всегда соответствует одному и тому же фенотипу. Некоторые гены проявляются в фенотипе только в определённых условиях. С другой стороны, некоторые фенотипы, например, окраска шерсти животных, являются результатом взаимодействия нескольких генов по типу комплементарности. Фенотип — (от греческого слова phainotip — являю, обнаруживаю) совокупность характеристик, присущих индивиду на определённой стадии развития. Фенотип формируется на основе генотипа, опосредованного рядом внешнесредовых факторов. У диплоидных организмов в фенотипе проявляются доминантные гены. Фенотип — совокупность внешних и внутренних признаков организма, приобретённых в результате онтогенеза (индивидуального развития). Аллели (аллеломорфы) — различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака. В диплоидном организме может быть два одинаковых аллеля одного гена, в этом случае организм называетсягомозиготным, или два разных, что приводит к гетерозиготному организму. Нормальные диплоидные соматические клетки содержат два аллеля одного гена (по числу гомологичных хромосом), а гаплоидные гаметы — лишь по одному аллелю каждого гена. Для признаков, подчиняющихся законам Менделя, можно рассматривать доминантные и рецессивные аллели. Если генотип особи содержит два разных аллеля (особь — гетерозигота), проявление признака зависит только от одного из них — доминантного. Рецессивный же аллель влияет на фенотип, только если находится в обеих хромосомах (особь — гомозигота). В более сложных случаях наблюдаются другие типы аллельных взаимодействий. 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. Мультифакториальный принцип формирования фенотипа подразумевает, что фенотип развивался под комплексным воздействием не только генетической информации, но также и разнообразных факторов воздействия на организм внешней среды. Наряду с этим результат реализации наследственной программы, заключенной в генотипе особи, в значительной мере зависит от условий, в которых осуществляется этот процесс. Факторы внешней по отношению к генотипу среды могут способствовать или препятствовать фенотипическому проявлению генетической информации, усиливать или ослаблять степень такого проявления. В генетике индивидуального развития среда представляет собой сложное понятие. С одной стороны, это непосредственное окружение, в котором осуществляют свои функции отдельные гены и генотип в целом. Оно образовано всей совокупностью факторов внутренней среды организма: клеточное содержимое (исключая ДНК), характер прямых межклеточных взаимодействий, биологически активные вещества (гормоны). Совокупность внутриорганизменных факторов, влияющих на реализацию наследственной программы, обозначают как среду 1-го порядка. Особенно большое влияние на функцию генотипа факторы этой среды оказывают в период активных формообразовательных процессов, преждевсего в эмбриогенезе. С другой стороны, выделяют понятие окружающей среды, или среды 2-го порядка, как совокупности внешних по отношению к организму факторов. Однако нет таких признаков, которые абсолютно обуславливались бы только наследственностью или средой. Признаки, проявление которых зависит от многих генов, в большей степени подвержены влиянию экзогенных факторов. У человека такими признаками являются рост, умственные способности, артериальное давление, поведенческие реакции и др. Принцип взаимодействия наследственности и среды лежит в основе развития болезней с наследственной склонностью, или мультифакториальных болезней. Это большая, клинически разнообразная группа патологических проявлений, но со схожими генетическими закономерностями развития. Сюда приналежат врожденные пороки развития, сердечно-сосудистые, психические, злокачественные и другие болезни. Сказанное обращает внимание на то, что в генетике нельзя использовать обобщенное понятие среды. Во-первых, речь может идти о генотипической среде (относительно гена — среда 1-го порядка), то есть о всей совокупности генов, представленных конкретными их аллелями (см. 4.3.1.2) в генотипе данной особи. Приведенное определение генотипической среды дает возможность остановиться на различиях между такими генетическими понятиями, как «генотип» и «геном». В современной генетике очевидна тенденция относить первое понятие к генетической конституции отдельно взятого организма или индивидуума, тогда как второе — к генетическому «багажу» вида. Во-вторых, это может быть внутренняя среда организма данной особи (относительно гена — среда 2-го порядка; если речь идет о развитии плода, резонно выделять среду 2а и 2б порядков, имея в виду внутреннюю среду развивающегося и материнского организмов, соответственно). В-третьих, это может быть окружающая среда жизни данной особи (относительно гена — среда 3-го порядка). Понятие «пенентрантность» и «экпрессивность» генов. Примеры. Доминирование с полной и неполной пенентрантностью, «неустойчивая доминантность», рецессивность. Сверхдоминирование как основа проявления гетерозиса. Примеры. Взаимодействие аллельных генов при кодоминировании. Теория множественных аллелей. Межгенные взаимодействия, межаллельные взаимодействия, сложность и разветвлённость метаболических процессов, в которых участвуют кодируемые генами белки (ферменты), обусловливают сложную специфику фенотипического проявления признака.Степень выраженности признака в фенотипе получила название экспрессивности (термин введён Н.В. Тимофеевым-Ресовским в 1927 году). Под ней понимают степень фенотипического проявления аллеля у разных особей. При отсутствии вариантов проявления признака говорят о постоянной экспрессивности. Например, аллели систем группы крови АВ0 у человека имеют практически постоянную экспрессивность, а аллели, определяющие окраску глаз у человека - изменчивую экспрессивность. Классическим примером изменчивой экспрессивности рассматривают проявление рецессивной мутации, уменьшающей число фасеток глаза у дрозофилы: у разных особей может формироваться разное число фасеток вплоть до полного исчезновения. Экспрессивность выражают количественно. Частота встречаемости данного признака в поколении называется пенетрантностью (термин предложен Н.В.Тимофеевым-Рессовским в 1927 году). Количественно её выражают в процентах. Пенетрантность бывает полной (100% встречаемость признака) и неполной (встречаемость признака менее 100%). Например, у человека пенетрантность врождённого вывиха бедра составляет 25%, а пенетрантность дефекта глаза «колобомы» - около 50%. Знание механизмов и характера экспрессивности имеет значение в медико-генетическом консультировании и определении возможного генотипа фенотипически «здоровых» людей, родственники которых имели наследственные заболевания. Явления экспрессивности указывают, что доминированием (проявлением доминантного аллельного гена) можно управлять, обоснованно осуществляя поиск средств, предотвращающих развитие наследственных аномалий и патологически отягощённой наследственности у человека. Тот факт, что один и тот же генотип может явиться источником развития различных фенотипов, имеет существенное значение для медицины. Это означает, что отягощённая наследственность не обязательно должна проявиться в развивающемся организме. В ряде случаев развитие болезни можно предотвратить, в частности диетой или лекарственными препаратами. Известны одинаковые изменения фенотипа, обусловленные изменениями аллелей различных генов - генокопии. Их возникновение - следствие контроля признака многими генами. Поскольку биосинтез молекул в клетке, как правило, осуществляется многоэтапно, мутации разных генов, контролирующих различные этапы одного биохимического пути, могут приводить к одинаковому результату - отсутствию конечного продукта цепи реакций и, следовательно, одинаковому изменению фенотипа. Так, у человека известно несколько форм глухоты, вызываемых мутантными аллелями трёх аутосомных генов и одного гена Х-хромосомы. Однако в различных случаях глухота сопровождается либо пигментным ретинитом, либо зобом, или же аномалиями функции сердца. Проблема генокопий актуальна также в медицинской генетике для прогноза возможного проявления наследственных заболеваний у потомков, если родители имели сходные болезни или аномалии развития. Пенетрантность (от лат. penetro — проникаю, достигаю)количественный показатель фенотипической изменчивости проявления гена. Измеряется (обычно в %) отношением числа особей, у которых данныйГенпроявился вФенотипек общему числу особей, вГенотипекоторых этот ген присутствует в необходимом для его проявления состоянии (гомозиготном — в случае рецессивных генов или гетерозиготном — в случае доминантных генов). 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 (См.Генотипическаясреда). Путём селекции можно получать линии особей с заданным уровнем П. Средний уровень П. зависит также от условий среды. Например, фраза «аллельAобладает пенетрантностью 95 %» означает, что из всех особей, у которых данный аллель имеется в необходимом числе копий, лишь у 95 % наличие этого аллеля можно установить по показателям фенотипа. Полная пенетрантность — это 100 % фенотипическое проявление наличия данного аллеля в пределах популяции. Термин «неустойчивая доминантность» применим к тем случаям, когда проявление признака у гетерозиготных особей зависит от внешних условий или генетической среды. Так, фенотип доминантной мутации Curly (загнутые кверху крылья) у дрозофилы не проявляется при температуре 19 °С, (мухи имеют прямые крылья). Вполне нормально выглядят и мутантные мухи Abnormal abdomen (аномальное брюшко) в старых культурах на подсохшем корме, те. доминантные мутации при определенных условиях проявляются как нормальные или близкие к норме рецессивные признаки. Генотип можно рассматривать как систему взаимодействующих генов. Проявление признака определяется взаимоотношением не только аллельных, но и неаллельных генов, усиливающих или ослабляющих действие основного гена. О степени доминирования признака судят по его пенетралтности (термин «пенетрантность» предложен Н.В. Тимофеевы м-Ресовским), оцениваемой по доле особей-носителей гена, у которых данный признак проявился. В проведенных В.Г. Митрофановым экспериментах самок из линии Puffed, Pu (фасетки глаз слиты и образуют вздутия) Drosophila viritis скрещивали с нормальными самиами из разных популяций. В результате мутация Puffed оказывалась в разном генетическом окружении. Было установлено, что у гибридов первого поколения в одном из вариантов скрещиваний пенетрантность не превышала 2% (почти полная рецессивность), в другом достигала 98%, а в остальных находилась на уровне ±50%. Это означает, что доминантность основного гена Ри зависит от генетического фона, усиливающего или ослабляющего его проявление. Наконец, доминантность может зависеть от положения гена в хромосоме. В классической генетике описано много примеров эффекта положения. Так у гетерозигот w+/w может проявиться фенотип не доминантного аллеля w+ (красные глаза), а рецессивного - w (белые глаза), если аллель w+ в результате инверсии (изменения последовательности генов на участке хромосомы на обратную) попадет в зону прицентромерного хроматина. В тех случаях, когда гомозигот по доминантной мутации выявить не удается, поскольку доминантный ген действует в гомозиготе как рецессивная леталь, говорят об условной доминантности. Например, доминантные мутации у дрозофилы Curly, Су (загнутые кверху крылья), Pearl, Pr (утолщения на крыльях, глаза маленькие, грубые), Scutoid, Sco (скутеллярные щетинки отсутствуют) можно назвать условно доминантными, поскольку они как и многие другие, легальны в гомозиготе. |