Генетика. Вопросы к экзамену. Генетика. Вопросы. Вопросы для сдачи экзаменов по дисциплине Общая и медицинская генетика
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
Кроссинговер – это обмен участками между гомологичными хромосомами, происходит в профазе I мейоза во время конъюгации. При сцепленном наследовании максимальная частота кроссинговера не превышает 50 %. Если же она выше, то наблюдается свободное комбинирование между аллелями, не отличимое от независимого наследования. Биологическое значение: создаются новые комбинации генов и повышается наследственная изменчивость, следовательно, адаптация. Нерекомбинанты – гибридные особи, у которых такое же сочетание признаков, как и у родителей. Рекомбинанты – гибридные особи, имеющие иное сочетание признаков, чем у родителей. Расстояние между генами измеряется в морганидах – УЕ, соответствующих проценту кроссоверных гамет или проценту рекомбинантов. Например, расстояние между генами серой окраски тела и длинных крыльев (также черной окраски и зачаточных крыльев) у дрозофилы равно 17%, или 17 М. Соматический кроссинговер описан у дрозофилы, у некоторых видов плесеней. Осуществляется в ходе митоза между гомологичными хромосомами, частота в 10 000 раз меньше частоты мейотического. На основании данных своих опытов Морган выдвинул гипотезу о линейном расположении генов в хромосоме. Она была доказана на основании открытия сцепления и рекомбинация, благодаря чему было введено понятие генетического картирования – определения положения какого-либо гена по отношению к двум (как минимум двум) генам. Постоянство процесса кроссинговера между определенными генами позволяет локализовать их. Морган и его сотрудники показали, что, установив группу сцепления, можно построить генетические карты и указать порядок расположения генов. Генетической картой хромосом называют схему взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Определение группы сцепления осуществляется гибридологическим методом, т. е. при изучении результатов скрещивания. Если известно, что расстояние между двумя генами одной группы сцепления A и C составляло 4%, и необходимо установить место третьего гена B в той же хромосоме, то необходимо выяснить процент кроссинговера между геном B и генами A и C. Если процент кроссинговера между A и B составил 3%, то ген B расположен между A и C. Если процент кроссинговера между A и B составил 5%, то ген B находится на одном из концов хромосомы. Дигибридное и полигибридное скрещивание. Закон независимого комбинирования признаков и границы его действия применительно к расположению генов в хромосомах. Установить закономерности наследования двух и более пар альтернативных признаков можно путем дигибридного или полигибридного скрещивания. Дигибридное – окраска семян и форма семян. Гомозиготы дадут 1 пару гамет, гетерозиготы – 2. Каждая пара признаков будет вести себя независимо, распределение 3:1, общее – 9:3:3:1. Третий закон Менделя или закон независимого комбинирования – при скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Частотное распределение генов и генотипов в популяциях. Закон Харди-Вайнберга. Понятие о равновесной популяции и генетические особенности поведения генов в популяциях малого размера (дрейф генов, инбридинг). Популяционная генетика исследует закономерности распределения генов и генотипов в популяциях. Расчеты частот генов и генотипов ведутся в соответствии с положениями закона Харди-Вайнберга. Этот закон разработан для популяций, отвечающих следующим условиям: свободное скрещивание, т. е. отсутствие специального подбора пар по каким-либо признакам; отсутствие оттока генов за счет отбора или миграции особей за пределы данной популяции; отсутствие притока генов за счет мутаций или миграции особей в данную популяцию извне; равная плодовитость гомозигот и гетерозигот. Такая популяция называется равновесной. Первое положение закона Харди-Вайнберга гласит: сумма частот аллелей одного гена в данной популяции есть величина постоянная: p + q = 1, где p – частота доминантного аллеля А, q – частота рецессивного аллеля а. Частота гена в популяции зависит от адаптивной значимости признака. Второе положение – сумма частот генотипов по одному гену в данной популяции есть величина постоянная, а распределение их соответствует: p2 + 2pq + q2 = 1, где p2 – частота гомозиготных особей по доминантному аллелю, 2pq – частота гетерозигот, q2 – частота гомозигот по рецессивному аллелю. В случае трех аллельных генов: p + q + r = 1, p2 + q2 + r2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1. Генетическая структура популяции при самоопылении определяется иначе, так как такая популяция не является в строгом смысле панмиксной и в ней не действует закон Харди-Вайнберга. Если популяция происходит от одного гетерозиготного родителя Аа (F0), то соотношение генотипов в поколении Fn может быть определено по следующей формуле: (2n – 1)*AA : 2Aa : (2n – 1)*aa, где n – номер поколения. Закон Харди-Вайнберга включает еще одно важное положение: в равновесной популяции частоты генов и генотипов сохраняются в ряде поколений. Если популяция теряет равновесие, то частоты изменяются. Причины: изменение условий существования, при которых признак теряет свое приспособительное значение, появление новых мутаций, имеющих адаптивную значимость. Через несколько поколений установится новое соотношение генов. Анализ популяций с позиций основных положений закона Харди-Вайнберга позволяет наглядно представить весь механизм различных форм естественного отбора, а по изменениям частот генов в ряде последовательных поколений выяснить направление изменчивости конкретной популяции. Дрейф генов – случайные ненаправленные изменения частот аллелей в популяциях (в широком смысле). В узком смысле – случайное изменение частоты аллелей при смене поколений в малых изолированных популяциях (Сьюэлл Райт). В малых популяциях велика роль отдельных особей. Случайная гибель одной особи может привести к значительному изменению аллелофонда. Чем меньше популяция, тем больше вероятность флуктуации – случайного изменения частот аллелей. В сверхмалых популяциях по совершенно случайным причинам мутантный аллель может занять место нормального аллеля. В природных популяциях наличие дрейфа генов до сих пор не доказано. Поэтому разные эволюционисты по-разному оценивают вклад дрейфа генов в общий процесс эволюции. Частным случаем дрейфа генов является эффект генетической воронки (или эффект «бутылочного горлышка») – изменение частот аллелей в популяции при снижении ее численности. Инбридинг – скрещивание близкородственных форм в пределах одной популяции организмов. Инбридинг широко используется селекционерами для усиления целевых характеристик породы или сорта. Наиболее распространённая разновидность инбридинга, которая используется при селекции, называется лайнбридингом. При лайнбридинге потомки спариваются с каким-либо своим предком. Инбридинг приводит к повышению постоянства фенотипических признаков в потомстве и, в итоге, производится для получения линий генетически идентичных особей (инбредные линии), на которых удобно проводить биологические и медицинские эксперименты. При близкородственном скрещивании (или самоопылении у растений) может возникать инбредная депрессия: уменьшение урожайности растительных культур, измельчание животных, возникновение аномалий и уродств. Это объясняется гомозиготностью по вредным рецессивным аллелям. Законы передачи наследственных признаков. 1 и 2 законы Менделя. Теория «чистоты» гамет. Анализирующее скрещивание. Пенетрантность и экспрессивность гена. Для моногибридного скрещивания Мендель установил закономерности наследования, понятие аллелизма, дискретный характер наследственности, показал стабильность наследственных факторов. Сегодня это первый и второй законы Менделя. Первый закон Менделя (единообразия гибридов) – при скрещивании гомозиготных родительских особей, которые отличаются по одной паре аллельных признаков, все гибриды первого поколения единообразны по фенотипу и генотипу. Признаки, проявляющиеся у гибридов первого поколения, Мендель назвал доминантными (лат. dominus – господствующий), а не проявляющиеся – рецессивными (лат. recessus – отступающий). Желтый цвет оказался доминантным признаком, зеленый – рецессивным. В экспериментах Мендель установил, что аналогичным образом ведут себя все семь исследованных им признаков. Один из примеров — это круглые и морщинистые семена гороха. Горох с морщинистыми семенами имеет повышенное содержание сахарозы по сравнению с растением с гладкими семенами. Вследствие этого семена такого гороха, пока они развиваются в бобе, абсорбируют больше воды. Когда они созревают, то теряют часть воды, горошины сморщиваются. Гладкие горошины, содержащие меньше сахарозы, но больше крахмала, всасывают в процессе развития меньше воды и поэтому в процессе созревания не теряют ее так много, как морщинистые горошины, и, как следствие этого, остаются гладкими. Важное различие между сортами гороха с гладкими и морщинистыми семенами состоит в количественном соотношении сахарозы и крахмала в их клетках. В свою очередь, это зависит от ряда ферментов, превращающих сахарозу в крахмал. Каждый из этих ферментов кодируется одним геном. Аллель г является мутантным вариантом гена одного из таких генов. Растения, гомозиготные по аллелю rr, не образуют фермента, который кодируется геном R. Это означает, что растения, имеющие генотип гг, будут превращать в крахмал меньше сахарозы, поэтому такие семена в процессе созревания будут терять воду и сморщиваться. В гетерозиготном состоянии R-аллель отвечает за синтез этого фермента, который синтезируется в достаточном количестве, чтобы снизить уровень сахарозы, поэтому растения, имеющие генотип Rr, образуют гладкие семена. В этом случае продукт гена аллель R доминирует над аллелем г. Второй закон Менделя (расщепления гибридов второго поколения) – при моногибридном скрещивании гетерозиготных организмов у гибридов второго поколения происходит расщепление по фенотипу в отношении 3 : 1 и по генотипу – 1 : 2 : 1. При исследовании признаков, развившихся во втором поколении, Мендель пришел к выводу, что рецессивный признак у гибридов первого поколения (F1) не теряется, а лишь прикрыт доминантным и проявляется в следующем поколении. Он связал развитие признаков с наследственными задатками (генами). Наследственность дискретна, т. е. при скрещивании аллельные факторы не исчезают и не смешиваются, а сохраняются в том же виде, в каком они были у родителей, они передаются через половые клетки из поколения в поколение. Закон расщепления можно объяснить гипотезой «чистоты» гамет. За каждый признак отвечают два аллельных гена (Аа). При образовании гибридов аллельные гены не смешиваются, а остаются в неизмененном виде. Гибриды Аа в результате мейоза образуют два типа гамет. Они чисты от другой аллели. При оплодотворении восстанавливается гомологичность хромосом и аллельность генов, проявляется рецессивный признак, ген которого в гибридном организме не проявлял своего действия. Третий закон Менделя (независимого наследования признаков) – при скрещивании двух гомозигот, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Признаки развиваются в результате взаимодействия генов. Ген, имеющийся в генотипе в необходимом для проявления количестве, может проявляться в виде признака в разной степени у разных организмов (экспрессивность) или вообще не проявляться (пенетрантность). Причины: модификационная изменчивость (воздействие условий окружающей среды) комбинативная изменчивость (воздействие других генов генотипа). Анализирующее скрещивание – гибридологический метод изучения наследственности, позволяет установить, гомозиготен или гетерозиготен организм, имеющий доминантный фенотип по исследуемому гену (или генам). Экспрессивность – степень фенотипического проявления аллеля. Например, аллели групп крови АВ0 у человека имеют постоянную экспрессивность (всегда проявляются на 100%), а аллели, определяющие окраску глаз, – изменчивую экспрессивность. Пенетрантность – вероятность фенотипического проявления признака при наличии соответствующего гена. Например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, т. е. болезнью страдает только 1/4 рецессивных гомозигот. Медико-генетическое значение: здоровый человек, у которого один из родителей страдает заболеванием с неполной пенетрантностью, может иметь непроявляющийся мутантный ген и передать его детям. Понятие о кариотипе. Общая морфология, размеры и число хромосом человека. Половые хромосомы и аутосомы. Кариотип – совокупность хромосом, характерных для соматических клеток организма (1924, Левитский). Кариотип формируется в процессе слияния 2-х половых клеток. В зависимости от положения центромеры и длины плеч различают несколько форм хромосом: равноплечие или метацентрические, неравноплечие или субметацентрические, палочковидные или акроцентрические и точковые – очень небольшие, форму которых трудно определить. Унификация хромосом по: размеру, положению центромеры, наличию второй перетяжки и спутников. Группы хромосом: I, А (1, 2, 3-я хромосомы, крупные, метацентрические 1-я и 3-я и субметацентрическая 2), II, В (4-я, 5-я, крупные субметацентрические), III, С (6-12-я, хромосомы средних размеров с субмедианным расположением центромер. Х-хромосома сходна с самыми длинными хромосомами этой группы), IV, Д (13, 14, 15-я, хромосомы средних размеров, акроцентрические, имеют вторичные перетяжки и спутники), V, Е (16, 17, 18-я, довольно короткие, метацентрическая 16-я и субметацентрические 17-я и 18-я), VI, F (19-я, 20-я, короткие хромосомы с почти медиальным расположением центромер), VII, G (21-22-я, очень короткие акроцентрические хромосомы, имеют вторичные перетяжки и спутники). У-хромосома – маленькая акроцентрическая хромосома, сходная с хромосомами 21 и 22, но не имеющая спутников. Изучение под микроскопом кариотипа человека осуществляется с помощью цитогенетического метода. Кариотип — одна из важнейших генетических характеристик вида. Постоянство в соматических клетках обеспечивается митозом, а в половых – мейозом. Кариотип может изменяться под влиянием мутаций. Кариотип самцов и самок могут различаться по форме (иногда и числу) половых хромосом, в таком случае они описываются порознь. Кариотип исследуют на стадии метафазы митоза. Описание обязательно сопровождается микрофотографией или зарисовкой. Жизненный цикл клетки и его периоды. Механизмы генетического контроля клеточного цикла. Жизненный цикл клетки – это период существования клетки от момента её образования путём деления материнской клетки до её смерти. Важнейшим компонентом является митотический цикл. Интерфаза – подготовка к делению клетки: Нулевая фаза (G0) – в ней находятся или терминально дифференцированные клетки, или те, в которых временно выключены гены, отвечающие за деление. Пресинтетический (G1) – идёт рост образовавшейся клетки, синтез различных РНК и белков, синтез ферментов и субстратов для следующей стадии. Синтез ДНК не происходит (12-24 часа), 2n2c (хромосом и ДНК). Синтетический (S) – синтез ДНК и редупликация хромосом. Синтез РНК и белка. (10 часов), 2n4c. Постсинтетический (G2) – синтез ДНК останавливается. Происходит синтез РНК, белков и накопление энергии. Ядро увеличивается в размере. (3-4 часа), 2n4c. Циклины регулируют переход из фазы в фазу, они активируют циклинзависимые протеинкиназы. Циклин D + CDK-4 регулирует переход из G1-фазы в S-фазу: циклины А и Е активируют синтез ДНК на начальной стадии S-фазы; циклин В регулирует переход клетки из G2-фазы в M-фазу. Одна из самых важных точек контроля клеточного цикла START находится в середине фазы G1. Она регулируется циклинами D-типа в сочетании с CDK-4. Ингибиторные белки, которые способны определять (детектировать) проблемные ситуации в конце G1-фазы, такие как низкий уровень питательных веществ или разрушение ДНК, могут нарушить образование комплекса циклин + CDK. При отсутствии таких проблем комплекс циклин D + CDK-4 направляет клетку в S -фазу, инициируя репликацию ДНК, которая предшествует клеточному делению. В опухолевых клетках точка контроля клеточного цикла в типичных случаях нерегулируемая. Это нарушение регуляции возникает в результате генетических дефектов в механизме, который попеременно повышает или понижает количество комплексов циклин + CDK. Например, гены, кодирующие циклины или CDK, могут быть мутантными, либо гены, кодирующие белки, которые отвечают за формирование комплексов циклин + CDK или регулируют количество этих комплексов, также могут быть мутантными. Многие различные типы таких нарушений могут мешать регуляции клеточного цикла с отдаленными последствиями, которые приводят к превращению нормальной клетки в раковую. Клетки, в которых точка контроля START имеет нарушения функционирования, особенно склонны к превращению в раковые. Если ДНК в клетке разрушена, важно, чтобы вхождение в S-фазу было задержано, для того чтобы репарировать поврежденную ДНК. Иначе ДНК с нарушениями будет реплицирована и передана во все клетки, образованные позднее. Нормальные клетки запрограммированы на то, чтобы сделать паузу в точке контроля START, для того чтобы подтвердить, что репарация завершена до того, как происходит репликация ДНК. Напротив, клетки, в которых происходит нарушение функции точки контроля START, движутся к S-фазе без репарации поврежденной ДНК. После серии клеточных циклов мутации, которые возникли в результате репликации нерепарированной ДНК, могут накапливаться и вызывать дальнейшее нарушение регуляции клеточного цикла. Клоны клеток с нарушением функции в точке контроля START могут, следовательно, становиться раковыми. |