Руководство для самоподготовки СанктПетербург СпецЛит 201

• Название: Руководство для самоподготовки СанктПетербург СпецЛит 201
• Дата: 09.11.2018
• Размер: 306.18 Kb.
• Имя файла: 978-5-299-00434-2.doc
• Тип: Руководство; #55954

Н. А. Курчанов

ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА с основами общей генетики

Руководство для самоподготовки

Санкт-Петербург

СпецЛит

201

0УДК 57.61 К93

Автор:

Николай Анатольевич Курчанов — кандидат биологических наук, доцент, лауреат премии Совета министров СССР

Рецензент:

Дукельская А. В. — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник кафедры генетики СПбГУ

Курчанов Н. А.

К93 Генетика человека с основами общей генетики : руко­водство для самоподготовки / Н. А. Курчанов. — СПб.: СпецЛит, 2010. — 63 с. : ил.

ISBN 978-5-299-00434-2

В руководстве рассматриваются вопросы, освещенные в одно­именном учебном пособии. Высокая концентрация информации в по­собии вместе с широтой тематического охвата материала указывают на важность самостоятельной работы студентов. Помочь студенту в изучении основ генетики — цель настоящего руководства. Материа­лы руководства также помогут преподавателям при подготовке к се­минарским занятиям.

Руководство может быть использовано биологами, психологами, педагогами при изучении курсов генетики человека, психогенетики, биологии развития, спецкурсов, посвященных природе и поведению человека.

ISBN 978-5-299-00434-2

УДК 57.61

© ООО «Издательство „СпецЛит“», 2009
Содержание

Предисловие

Генетика как наука о закономерностях наследственности и из­менчивости — основа современной биологии, так как она опреде­ляет развитие всех других биологических дисциплин. Однако роль генетики не ограничивается сферой биологии. Поведение чело­века, экология, социология, психология, медицина — вот далеко не полный список научных направлений, прогресс которых зави­сит от уровня генетических знаний.

Учитывая «сферу влияния» генетики, понятна ее методологиче­ская роль. Одной из характерных черт современной науки является все углубляющаяся дифференциация и специализация. Этот про­цесс достиг той черты, за которой уже ощущается реальная угроза потери взаимопонимания даже между представителями одной нау­ки. В биологии из-за обилия специальных дисциплин центробеж­ные тенденции проявляются особенно остро. В настоящее время именно генетика определяет единство биологических наук, благо­даря универсальности законов наследственности и основополагаю­щей информации, систематизированной в положениях общей гене­тики. Эта методологическая роль генетики в полной мере распро­страняется на все науки о человеке.

Руководство для самоподготовки рассматривает вопросы и основ­ные положения наследственности и изменчивости, структурно-функ­циональной организации генетического материала, генетических основ эволюции, поведения, развития. Отдельно рассмотрены во­просы генетики человека, медицинской генетики, психогенетики.

В пособии приводятся различные, часто альтернативные, точки зрения по нерешенным проблемам, что должно показать студентам отсутствие проторенных путей в науке, необходимость анализа до­полнительной литературы.

Каждая тема включает описание ее содержания, основные поня­тия, схемы, таблицы. В заданиях для самостоятельной работы сде­лан акцент на сложные и спорные вопросы науки. Для самопроверки каждая глава заканчивается контрольными вопросами. Для более углубленного изучения материала приводятся списки дополнитель­ной литературы. Приведенный в конце книги список терминов поз­волит студентам проверить свои знания по изученному материалу

.Тема 1 ИСТОРИЯ И ЗНАЧЕНИЕ ГЕНЕТИКИ

Генетика — это сердцевина биологической науки. Лишь в рамках генетики разнообразие жизненных форм и процессов может быть осмыслено как единое целое.

Ф. Айала, американский генетик

Генетика изучает два неразрывных свойства живых организ­мов — наследственность и изменчивость. В настоящее время она является основой современной биологии.

Содержание темы

Генетика как наука о наследственности и изменчивости. Исто­рия генетики. Основные этапы и ключевые вопросы в истории ге­нетики. Проблема молекулярного носителя наследственности. Раз­делы современной генетики. Связь генетики с другими науками. Универсальность законов генетики.

Основоположником генетики считается Г. Мендель (1822—1884), который обосновал основные закономерности наследственности. По­вторное открытие законов Менделя Г. де Фризом (1848—1935), К. Кор- ренсом (1864—1933), Э. Чермаком (1871—1962) в 1900 г. принято считать датой рождения генетики как самостоятельной науки.

Рассмотрим некоторые вехи развития генетики в ХХ в.

1901 г. — Г. де Фриз предложил первую мутационную теорию.

1903 г. — У. Саттон (1876—1916) и Т. Бовери (1862—1915) вы­двинули хромосомную гипотезу, «связывая» менделевские факто­ры наследственности с хромосомами.

1905 г. — У. Бэтсон (1861—1926) предложил термин «ге­нетика».

1907. 
      г. — У. Бэтсон описал варианты взаимодействия генов («на­следственных факторов») и ввел понятия «комплементарность», «эпистаз», «неполное доминирование». Им же ранее (1902) были введены термины «гомозигота» и «гетерозигота».
      
1908. 
      г. — Г. Нильсон-Эле (1873—1949) объяснил и ввел поня­тие «полимерия», важнейшее явление в генетике количественных признаков.
      

Г. Харди (1877—1947) и В. Вайнберг (1862—1937) предложили формулу распределения генов в популяции, известную впоследствии как закон Харди—Вайнберга — ключевой закон генетики популяций.

1907. 
      г. — В. Иоганнсен (1857—1927) сформулировал ряд прин­ципиальных положений генетики и ввел основные понятия генети­ческой терминологии: «ген», «генотип», «фенотип», «аллель».
      

В. Волтерек ввел понятие «норма реакции», характеризующее возможный спектр проявления гена.

1907. 
      г. — Л. Плате разработал представление о множественном действии генов и ввел понятие «плейотропия».
      

1912 г. — Т. Морган (1866—1945) предложил теорию хромосом­ной локализации генов. К середине 20-х гг. Т. Морган и представители его школы — А. Стёртевант (1891—1970), К. Бриджес (1889—1938), Г. Меллер (1890—1967) сформулировали свой вариант теории гена. Проблема гена стала центральной проблемой генетики.

1920. 
      г. — Г. Винклер ввел термин «геном». В дальнейшем раз­работка этого понятия стала новым этапом в развитии генетики.
      

Н. И. Вавилов (1887—1943) сформулировал закон гомологич­ных рядов наследственной изменчивости.

1920. 
      г. — Л. Н. Делоне (1891—1969) предложил термин «карио- тип» для обозначения совокупности хромосом организма. Предло­женный ранее С. Г. Навашиным (1857—1930) термин «идиограмма» в дальнейшем стал применяться для стандартизированных кариотипов.
      

1926. 
      г. — Н. В. Тимофеев-Ресовский (1900—1981) разработал проблему влияния генотипа на проявление признака и сформули­ровал понятия «пенетрантность» и «экпрессивность».
      
1927. 
      г. — Г. Меллер получил мутации искусственным путем под действием радиоактивного облучения. За доказательства мута­ционного эффекта радиации ему была присуждена Нобелевская премия 1946 г.
      

1929 г. — А. С. Серебровский (1892—1948) впервые продемон­стрировал сложную природу гена и показал, что ген не является единицей мутации. Он же сформулировал понятие «генофонд».

1930—1931 гг. — Д. Д. Ромашов (1899—1963), Н. П. Дуби­нин (1907—1998), С. Райт (1889—1988), Р. Фишер (1890—1962), Дж. Холдейн (1860—1936) разработали теоретические направления популяционной генетики и выдвинули положение о дрейфе генов.

1937 г. — Ф. Г. Добржанский (1900—1975) опубликовал книгу «Генетика и происхождение видов», с появления которой ведет отсчет синтетическая теория эволюции.

1941 г. — Дж. Бидл (1903—1989) и Э. Тейтум (1909—1975) сформулировали фундаментальное положение: «один ген — один фермент» (Нобелевская премия 1958 г.).

1944 г. — О. Эвери (1877—1955), Ч. Мак-Леод (1909—1972), М. Мак-Карти доказали генетическую роль ДНК в экспериментах по трансформации микроорганизмов. Это открытие символизиро­вало начало нового этапа — рождение молекулярной генетики.

1946. 
      г. — Дж. Леденрберг, Э. Тейтум, М. Дельбрюк (1906— 1981) описывают генетическую рекомбинацию у бактерий и вирусов.
      
1947. 
      г. — Б. Мак-Клинток (1902—1992) впервые описала миг­рирующие генетические элементы (это выдающееся открытие было отмечено Нобелевской премией только в 1983 г.).
      

1950. 
      г. — Э. Чаргафф показал соответствие пуриновых и пири­мидиновых нуклеотидов в молекуле ДНК (правило Чаргаффа) и ее видовую специфичность.
      
1951. 
      г. — Дж. Ледерберг (с сотрудниками) открыл явление трансдукции, в дальнейшем сыгравшее ключевую роль в становле­нии генной инженерии.
      
1952. 
      г. — А. Херши (1908—1997) и М. Чейз показали опреде­ляющую роль ДНК в вирусной инфекции, что явилось окончатель­ным подтверждением ее генетического значения.
      
1953. 
      г. — Д. Уотсон и Ф. Крик предложили структурную мо­дель ДНК. Эта дата считается началом эры современной био­логии.
      

1955. 
      г. — С. Очоа (1905—1993) выделил РНК-полимеразу и впер­вые осуществил синтез РНК in vitro.
      
1956. 
      г. — А. Корнберг выделил фермент ДНК-полимеразу и осу­ществил процесс репликации ДНК в лабораторных условиях.
      
1957. 
      г. — М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсерватив- ный механизм репликации ДНК. В лаборатории М. Хогланда от­крыли т-РНК.
      
1958. 
      г. — Ф. Крик сформулировал «центральную догму моле­кулярной биологии».
      

1960. 
      г. — М. Ниренберг, Дж. Маттеи, Х. Корана начали исследо­вания по расшифровке генетического кода. Работа (с участием дру­гих исследовательских групп) была завершена в 1966 г., что явилось одним из крупнейших достижений науки в истории человечества.
      
1961. 
      г. — Ф. Жакоб и Ж. Моно (1910—1976) сформулировали теорию оперона — теорию генетической регуляции синтеза белка у бактерий.
      
1962. 
      г. — Дж. Гердон впервые получил клонированных позво­ночных животных.
      

1965 г. — Р. Холли (1922—1993) раскрыл структуру т-РНК.

1969. 
      г. — Г. Корана впервые синтезировал ген в лабораторных условиях.
      
1970. 
      г. — Г. Темин (1934—1994) и Д. Балтимор открыли явле­ние обратной транскрипции.
      

1972 г. — П. Берг получил первую рекомбинантную молекулу ДНК. Эта дата считается датой рождения генной инженерии.

1974. 
      г. — Р. Корнберг, А. Олинс, Д. Олинс сформулировали теорию нуклеосомной организации хроматина.
      
1975. 
      г. — по инициативе группы ученых во главе с П. Бергом («комитет Берга») в Асиломаре (США) проходит Международная конференция по этическим проблемам генной инженерии, где про­возглашается временный мораторий на ряд исследований.
      

Мораторий не остановил работ по генной инженерии, и в после­дующие годы эта область активно развивалась, зародилось новое направление — биотехнология.

1974. 
      г. — Д. Бишоп и Г. Вармус раскрыли природу онкогена (Нобелевская премия 1989 г.).
      
1975. 
      г. — У. Гилберт, А. Максам, Ф. Сенджер разработали ме­тоды секвенирования (определения последовательности нуклеоти­дов нуклеиновых кислот).
      

Р. Робертс и Ф. Шарп показали мозаичную (интрон-экзонную) структуру гена эукариот (Нобелевская премия 1993 г.).

1974. 
      г. — осуществлен перенос эукариотического гена (инсу­лина) в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок.
      

1981. 
      г. — получены первые трансгенные животные (мыши).
      

Определена полная нуклеотидная последовательность мито­хондриального генома человека.

1981. 
      г. — показано, что РНК может обладать каталитическими свойствами, как и белок. Этот факт в дальнейшем выдвинул РНК на роль «первомолекулы» в теориях происхождения жизни.
      

1985 г. — проведено клонирование и секвенирование ДНК, выделенной из древней египетской мумии.

1988 г. — по инициативе генетиков США создан международ­ный проект «Геном человека».

1990 г. — В. Андерсен впервые произвел введение нового гена в организм человека.

1995 г. — расшифрован первый бактериальный геном. Гено­мика становится самостоятельным разделом генетики.

1997. 
      г. — Я. Вильмут осуществил первый успешный опыт по клонированию млекопитающих (овца Долли).
      
1998. 
      г. — секвенирован геном первого представителя эука­риот — нематоды Caenorhabditis elegans.
      

2000 г. — работа по секвенированию генома человека завершена.

Литература

Айяла Ф. Современная генетика : в 3 т. / Ф. Айяла, Дж. Кайгер. — М., 1988. Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики / А. Е. Гайсинович. — М., 1988.

Гершензон С. М. Основы современной генетики / С. М. Гершензон. — Киев, 1983.

Дубинин Н. П. Генетика — страницы истории / Н. П. Дубинин. — Кишинев, 1990. Захаров И. А. Краткие очерки по истории генетики / И. А. Захаров. — М., 1999. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции / С. Г. Инге-Вечто- мов. — М., 1989.

Медведев Ж. А. Взлет и падение Лысенко / Ж. А. Медведев. — М., 1993. Сойфер В. Н. Наука и власть: История разгрома генетики в СССР / В. Н. Сойфер. — М., 1989.

Тема 2 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Представьте себе, что увеличили человека до размеров Великобритании, тогда клетка будет иметь размер фабричного здания.

Внутри клетки находятся содержащие тысячи атомов молекулы,

в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот, даже при таком громадном увеличении молекулы нуклеиновой кислоты будут тоньше электрических проводов.

Дж. Кендрью, английский биохимик, лауреат Нобелевской премии 1962 г.

Эксперименты 1940—1950-х гг. убедительно доказали, что именно нуклеиновые кислоты (а не белки, как предполагали многие) яв­ляются носителями наследственной информации у всех организмов.

Содержание темы

Нуклеиновые кислоты как биополимеры. Нуклеотиды (рис. 2.1), виды нуклеотидов. Азотистые основания, их характеристика.

ДНК, ее строение и роль в природе. Модель ДНК Уотсона и Крика. Принцип комплементарности (рис. 2.2.) как фундаменталь­ная закономерность природы. РНК, виды РНК, их роль в клетке.

Репликация ДНК. Полуконсервативная модель (рис. 2.3.) и эта­пы репликации. Репликативная вилка (рис. 2.4.). Концепция ре- плисомы.

Основные понятия

Антикодон — триплет нуклеотидов т-РНК, определяющий ее специфичность и область присоединения к и-РНК.

Вторичная структура нуклеиновых кислот — порядок укладки полинуклеотидной нити.

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот.

Первичная структура нуклеиновых кислот — последова­тельность нуклеотидов в полинуклеотидной цепочке.

Полуконсервативная модель репликации — гипотеза, вы­двинутая для объяснения репликации, по которой у каждой дочер­ней молекулы ДНК одна нить происходит от материнской моле­кулы, а другая является вновь синтезированной. Подтвердилась в дальнейших исследованиях.

Принцип комплементарности — порядок соединения ну­клеотидов двух цепочек при их объединении в единой моле­куле ДНК.

Репликация — процесс удвоения молекул ДНК.

Репликон — участок репликации.

Реплисома — гипотетическая структура ядра, представляющая собой мультиэнзимный комплекс, функционирующий во время репликации.

Третичная структура нуклеиновых кислот — различные виды компактизации молекул нуклеиновых кислот.

Фрагменты Оказаки — короткие цепочки нуклеотидов, син­тезируемые на «отстающей» цепи ДНК перед их объединением во время репликации.




Рис. 2.1. Структура нуклеотида



Задание для самостоятельной работы



Рис. 2.2. Принцип комплементарности



Рис. 2.4. Синтез ДНК в репликативной вилке

1. 
   Начертите схему репликации ДНК. Охарактеризуйте фермента­тивную регуляцию всех этапов.
   
2. 
   Репликация ДНК — это не только один из важнейших про­цессов природы, но и один из самых сложных, протекающих
   

значительно сложнее, чем на любой схеме. Найдите в литерату­ре информацию о сложных и нерешенных вопросах репликации.

3. Рассмотрите «нетипичные» нуклеотиды ДНК и РНК. Найдите их отличие от основных нуклеотидов.

Контрольные вопросы

1. 
   Как выглядит мономер нуклеиновых кислот?
   
2. 
   Какие известны азотистые основания? На какие группы они делятся?
   
3. 
   Какие углеводы участвуют в образовании нуклеотидов?
   

14. 
    Как проводится нумерация атомов углерода в нуклеотидах?
    
15. 
    Как соединяются нуклеотиды в полинуклеотидную цепочку?
    
16. 
    В чем заключается принцип комплементарности? Почему прин­цип комплементарности является одним из фундаментальных законов природы?
    
17. 
    Отношение каких нуклеотидов ДНК служит видовой характе­ристикой?
    
18. 
    Какие виды РНК существуют в природе? Их функции.
    
19. 
    В чем выражаются первичная, вторичная, третичная структуры различных нуклеиновых кислот?
    

10. 
    Какие известны варианты вторичной структуры ДНК?
    
11. 
    Как проявляется вторичная и третичная структуры т-РНК?
    
12. 
    Как выглядит ДНК митохондрий, пластид, прокариот?
    
13. 
    Чем характеризуются этапы репликации ДНК?
    
14. 
    Почему модель репликации ДНК получила название полукон- сервативной?
    
15. 
    Как называется основной фермент репликации ДНК, осу­ществляющий матричный синтез?
    
16. 
    Почему на разных нитях ДНК репликация проходит по-разному?
    
17. 
    В чем суть концепции реплисомы?
    
18. 
    Как проходит матричный синтез во время репликации ДНК?
    
19. 
    Какую роль выполняет РНК-праймер в процессе реплика­ции ДНК?
    
20. 
    Почему процесс репликации ДНК представляет собой одно из важнейших явлений природы?
    

Литература

Айяла Ф. Современная генетика: в 3 т. / Ф. Айяла, Дж. Кайгер. — М., 1988.

Алиханян С. С. Основы современной генетики / С. С. Алиханян, А. П. Акифьев. — М., 1988.

Гершензон С. М. Основы современной генетики / С. М. Гершензон. — Киев, 1983.

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. — Ново­сибирск, 2003.

ЛьюинБ. Гены / Б. Льюин. — М., 1987.

Уотсон Дж. Молекулярная биология гена / Дж. Уотсон. — М., 1978.

Тема 3 ЦИТОГЕНЕТИКА

Гораздо легче найти ошибку, нежели истину.

И. В. Гете (1749—1832), немецкий писатель, философ и естествоиспытатель

Цитогенетика — это раздел генетики, изучающий структурно­функциональную организацию генетического материала на уровне клетки, главным образом хромосом. Для всестороннего понимания организации генетического материала высших организмов (в том числе и человека) необходимы знания общих закономерностей упа­ковки ДНК во всех вариантах, предоставленных живой природой, — в геномах вирусов, прокариот, протистов, клеточных органоидов.

Содержание темы

Генетический материал вирусов. Строение и функционирование ви­русов. Фаги. Понятие профага. Лизис и лизогения в развитии вирусов.

Генетический материал прокариот. Оперон. Плазмиды бакте­рий, их роль в геноме.

Генетический материал эукариот. Понятие хроматина и хромосом. Кариотип (рис. 3.1). Гомологичные хромосомы. Морфология хро­мосом. Морфологические типы хромосом. Ядрышко и ядрышковый организатор. Дифференциальная окраска хромосом. Видовая спе­цифичность кариотипа. Идиограмма. Стандартизация кариотипов.

Экстрахромосомный генетический материал эукариот. Мито­хондрии и хлоропласты. Симбиотическая теория происхождения эукариотической клетки.

Структура хромосом. Нуклеосомная модель организации хро­матина. Компактизация хроматина. Эухроматин и гетерохроматин.Хромоцентры. Политенные хромосомы и хромосомы типа «лам­повых щеток». В-хромосомы. Хромомеры.

Клеточный цикл (рис. 3.2), его периоды. Значение S-периода. Митоз, фазы митоза. Поведение и изменение морфологии хромо­сом в клеточном цикле. Биологическое значение митоза.

Мейоз. Фазы мейоза. Процессы, происходящие в профазе. Си- напсис (рис. 3.3) и кроссинговер. Биологическое значение мейоза.

Основные понятия

Биваленты — пары гомологов, объединенные в результате синапсиса.

Гаметы — клетки, способные сливаться друг с другом, с обра­зованием диплоидной клетки (зиготы), дающей новый организм.

Гаплоидный набор — набор хромосом, содержащий полови­ну диплоидного набора, по одной хромосоме из каждой пары го­мологов.

Диплоидный набор — набор хромосом, в котором каждая хро­мосома представлена парой гомологов.

Идиограмма — стандартизированная схема кариотипа.

Капсид — белковая оболочка вирусов.

Кариотип — совокупность хромосом клетки.

Кинетохор — фибриллярное тельце в области центромеры, к которому присоединяются нити веретена деления клетки.

Кроссинговер — обмен гомологичными участками гомологич­ных хромосом после образования бивалентов.

Мейоз — процесс образования гаплоидных клеток.

Митоз — процесс деления клетки с сохранением исходного числа хромосом.

Нуклеоид — кольцевая молекула ДНК, представляющая геном прокариот.

Нуклеосома — структура, состоящая из гистонового октамера, обвитого участком ДНК (размером 140—160 п. н.).

Оперон — группа структурных генов прокариот, находящихся под контролем одного регуляторного участка.

Плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК внутри бактериальной клетки.

Плечо — участок хроматиды между центромерой и теломерой.

Профаг — интегрированная с геномом хозяина форма сущест­вования вируса.

Синапсис — объединение гомологичных хромосом в профазе-1 мейоза.
Синаптонемный комплекс (СК) — структура, образованная из белков кариоплазмы, соединяющая гомологичные хромосомы во время синапсиса.

Спора — клетка, способная самостоятельно развиваться в но­вый организм.

Теломеры — концевые участки хроматид.

Фаги — вирусы бактерий.

Хромосома — структурный носитель генетической информа­ции в ядре эукариот, в котором молекула ДНК образует сложный комплекс с различными белками.

Хромоцентры — интерфазные структуры клеточного ядра, образованные агрегацией структурного гетерохроматина.

Ядрышко — структура эукариотического ядра, где происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом.



Рис. 3.1. Кариотип человека



Рис. 3.2. Клеточный (митотический) цикл

Ядрышковый организатор — область определенных хромо­сом, участвующих в процессе формирования ядрышка.КУРЧАНОВ Николай Анатольевич

ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА с основами общей генетики

Руководство для самоподготовки

Подписано в печать 25.11.2009. Формат 60 X 881/16.

Печ. л. 4,0. Тираж 1000 экз. Заказ №

ООО «Издательство „СпецЛит“». 190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29, тел./факс: [phone], http://www.speclit.spb.ru.

Отпечатано с диапозитивов ООО «Издательство „СпецЛит“» в ГП ПО «Псковская областная типография»

180004, г. Псков, ул. Ротная, 34