Генетика. Вопросы к экзамену. Генетика. Вопросы. Вопросы для сдачи экзаменов по дисциплине Общая и медицинская генетика
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
Радиационный и химический мутагенез. Стабильность генетического материала и спонтанный мутационный процесс. Механизм индуцированного мутагенеза и его связь с репарацией. Для получения индуцированных мутаций у растений используют физические мутагены (гамма-излучение, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение) и специально созданные химические супермутагены (например, N-метил-N-нитрозомочевина). Дозу мутагенов подбирают таким образом, чтобы погибало не более 30…50% обработанных объектов. Выделение мутантных организмов начинают со второго поколения. Этим путем получены высокопродуктивные штаммы микроорганизмов (продуцентов антибиотиков), карликовые сорта растений с повышенной скороспелостью и т. д. Однако применение индуцированных мутаций все же ограничено, поскольку у животных мутации практически всегда приводят к снижению жизнеспособности и/или бесплодию. К немногим исключениям относится тутовый шелкопряд, с которым велась интенсивная селекционная работа с использованием авто- и аллополиплоидов Мейоз, характеристика его стадий. Кроссинговер и его биологический смысл. Мейоз – это особый способ деления эукариотических клеток, при котором исходное число хромосом уменьшается в два раза. Мейоз сопровождает образование гамет у животных и формированием спор у растений. В результате образуются гаплоидные половые клетки, при слиянии которых во время оплодотворения восстанавливается диплоидный набор хромосом зиготы. Мейоз включает два мейотических деления. А репликация ДНК происходит только один раз. Главной особенностью мейоза является конъюгация. В первом делении происходит уменьшение числа хромосом в два раза, поэтому его называют редукционным. Во втором делении число хромосом не изменяется; поэтому его называют эквационным (уравнивающим). Предмейотическая интерфаза отличается от обычной интерфазы тем, что процесс репликации ДНК не доходит до конца: примерно 0,2...0,4 % ДНК остается неудвоенной. Однако в целом, можно считать, что в диплоидной клетке (2n) содержание ДНК составляет 4с. При наличии центриолей происходит их удвоение. В клетке имеется две диплосомы, каждая из которых содержит пару центриолей. Первое деление мейоза (редукционное или мейоз I) Профаза I (профаза первого деления) включает ряд стадий. Лептотена (стадия тонких нитей). Хромосомы видны в микроскоп в виде клубка тонких нитей. Зиготена (стадия сливающихся нитей). Происходит конъюгация гомологичных хромосом, образуются биваленты. Гомологи удерживаются друг около друга с помощью белковых синаптонемальных комплексов. Количество бивалентов равно n. Иначе биваленты называются тетрады. Пахитена (стадия толстых нитей). Хромосомы спирализуются, хорошо видна их продольная неоднородность. Завершается репликация ДНК. Завершается кроссинговер – перекрест хромосом, в результате которого они обмениваются участками хроматид. Диплотена (стадия двойных нитей). Гомологичные хромосомы в бивалентах отталкиваются друг от друга. Они соединены в отдельных точках, которые называются хиазмы. Диакинез (стадия расхождения бивалентов). Хиазмы перемещаются к теломерным участкам хромосом. Биваленты располагаются на периферии ядра. В конце профазы I ядерная оболочка разрушается, и биваленты выходят в цитоплазму. Метафаза I: формируется веретено деления. Биваленты перемещаются в экваториальную плоскость клетки. Образуется метафазная пластинка из бивалентов. Анафаза I: гомологичные хромосомы разъединяются, и каждая хромосома движется в сторону ближайшего полюса клетки. Разъединения хромосом на хроматиды не происходит. Телофаза I: гомологичные двухроматидные хромосомы полностью расходятся к полюсам клетки. Формируются два гаплоидных ядра, которые содержат 2n2с. Второе деление мейоза (эквационное или мейоз II) Профаза II: не отличается существенно от профазы митоза. Хромосомы видны в световой микроскоп в виде тонких нитей. В каждой из дочерних клеток формируется веретено деления. Метафаза II: хромосомы располагаются в экваториальных плоскостях. Анафаза II: хромосомы разделяются на хроматиды (как при митозе). Получившиеся хроматиды перемещаются к полюсам клеток. Телофаза II: однохроматидные хромосомы полностью переместились к полюсам клетки, формируются ядра. Содержание ДНК в каждой из клеток становится минимальным и составляет 1с. Таким образом, в результате описанной схемы мейоза из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидные клетки. Дальнейшая их судьба зависит от таксономической принадлежности организмов, от пола и других факторов. Значение мейоза: 1. Поддержание постоянства числа хромосом. Если бы не возникала редукция числа хромосом при половом размножении, половые клетки не имели гаплоидный набор хромосом, то из поколения в поколение возрастало бы их число. 2. В процессе кроссинговера имеет место рекомбинация генетического материала. Практически все хромосомы, попадающие в гаметы, содержат участки, происходящие первоначально как от отцовской, так и от материнской хромосомы. Этим достигается большая степень перекомбинации наследственного материала. В этом одна из причин комбинативной изменчивости, дающей материал для отбора. Отличия митоза от мейоза При митозе в профазе конъюгация гомологичных хромосом бывает только в том случае, если гомологичные хромосомы окажутся рядом, и тогда может произойти кроссинговер. Удвоение хромосом соответствует каждому делению клетки в митозе. В метафазе при митозе на экваторе выстраиваются хромосомы, состоящие из двух хроматид. В анафазе при митозе к полюсам расходятся хроматиды. В телофазе дочерние клетки содержат то же число хромосом, что и материнские. При мейозе в профазе I происходит конъюгация гомологичных хромосом, имеет место кроссинговер. Образуются биваленты хромосом. В метафазе I при мейозе на экваторе располагаются биваленты хромосомы. При мейозе в анафазе I к полюсам расходятся хромосомы, состоящие из двух хроматид. В телофазе I мейоза число хромосом в дочерних клетках вдвое меньше, чем в материнских, редукционное деление. Между I и II делениями мейоза в интерфазе нет синтеза ДНК. В результате мейоза при сперматогенезе образуются четыре клетки, при овогенезе одна половая клетка и три направительных (полярных) тельца, и все они будут иметь гаплоидный набор хромосом. Сперматогенез и овогенез. Особенности гаметогенеза у человека. Понятие о первичном и вторичном нерасхождении хромосом в гаметогенезе. Влияние пола, возраста, явления элиминации аномальных гамет на частоту нерасхождения хромосом в гаметогенезе. Примордиальные зародышевые (герминативные) клетки, которые мигрируют в гонады во время раннего развития зародыша, размножаются путем митотического деления. Действительное образование половых клеток, гаметогенез, начинается с мейоза. Мейоз у самцов и самок отличается по длительности и результатам. Сходство сперматогенеза и овогенеза заключается в том, что три стадии у них одинаковы. Стадия размножения: сперматогонии и овогонии, несколько делений митоза, увеличение количества. Сперматогонии размножаются в течение всего репродуктивного периода, а размножение овогоний происходит в эмбриональном периоде и наиболее интенсивно происходит во 2-5 месяц развития. Стадия роста: сперматоциты и овоциты I порядка, увеличение в размерах. Овоциты I порядка достигают больших размеров, поскольку накапливают питательные вещества. Стадия созревания: на этой стадии происходят 2 мейоза. После первого деления образуются сперматоциты и овоциты II порядка, а после второго деления – сперматиды и зрелые яйцеклетки с тремя полярными тельцами. При созревании один сперматоцит I порядка дает четыре сперматиды, а один овоцит I порядка образует одну яйцеклетку и 2 полярных тельца. Стадия формирования: характерна только для сперматогенеза, сперматозоиды, начинается только в период полового созревания. Период развития составляет 74 дня. Особенности гаметогенеза у человека: 1. Митотическое деление овогоний заканчивается до рождения организма. Митоз сперматогоний продолжается и в период полового созревания. 2. При овогенезе значительно выражена зона роста, при сперматогенезе зона роста почти не выражена. 3. При овогенезе первое деление мейоза останавливается на стадии диакинеза профазы до полового созревания. Второе деление мейоза останавливается на стадии метафазы и завершается после оплодотворения. Родившаяся девочка имеет в яичниках около 30 000 ооцитов, достигают зрелости 300-600 (примерно по 13 клеток в год). За период половой жизни мужской организм продуцирует до 500 млрд сперматозоидов. В настоящее время последние стадии овогенеза воспроизводятся вне организма и дают возможность «зачатия» в пробирке. На стадии 8-16 бластомеров зародыш переносится в матку женщины-реципиента. У низших животных половые клетки вырабатываются в течение всей жизни, у высших – в период половой активности. Основное преимущество полового размножения перед бесполым – увеличение генетического разнообразия видов и популяций. Патология мейоза Основная патология – нерасхождение хромосом. Оно может быть первичным, вторичным и третичным. Первичное нерасхождение возникает у особей с нормальным кариотипом. При этом на стадии анафазы I нарушается разделение бивалентов и обе хромосомы из пары гомологов переходят в одну клетку, что приводит к избытку хромосом в данной клетке (n+1) и недостатку в другой (n-1). Вторичное не расхождение возникает в гаметах у особей с избытком (трисомией) одной хромосомы в кариотипе. В результате этого в процессе мейоза образуются и биваленты, и униваленты. Третичные нерасхождения наблюдают у особей, имеющих структурные перестройки хромосом, например транслокации. Нерасхождение хромосом отрицательно влияет на жизнеспособность организма животных. Отличительная особенность мейоза у самок — образование в первом и втором мейотических делениях так называемых полярных телец, которые впоследствии дегенерируют и в размножении не участвуют. Неравные деления в овогенезе обеспечивают яйцеклетке необходимое количество цитоплазмы и запасного желтка, чтобы она могла выжить после оплодотворения. В отличие от спермиогенеза, который у самцов происходит как во внутриутробный (пренатальный) период, так и после рождения (постнатальный период), у самок яйцеклетка после рождения не образуется. Однако к концу пренатального периода у самок накапливается огромное количество овоцитов (у коров, например, десятки тысяч), а созревают и дают начало развитию потомства лишь немногие из них. Этот резерв генетического материала, особенно у малоплодных животных, таких, как крупный рогатый скот, в настоящее время начинают использовать для искусственного стимулирования созревания многих яйцеклеток, последующего их оплодотворения и пересадки (трансплантации) специально подготовленным коровам-реципиентам. Таким образом от одной ценной коровы в год можно получить не одного, а несколько телят. Морфология хромосом человека. Химический состав и молекулярная организация хромосом. Понятие об эухроматине. Понятие о нормальном хромосомном полиморфизме. Тератогенные факторы окружающей среды. Особенности тератогенного действия физических, химических и биологических факторов. Основные «ошибки» морфогенеза. Тератогены – химические, физические и биологические факторы, способные нарушать процессы эмбриогенеза, что приводит к возникновению аномалий развития. Механизм возникновения пороков развития называется тератогенезом. В возникновении уродства имеет значение как природа тератогенного фактора, так и видовые, индивидуальные, возрастные и другие особенности каждого организм. Один и тот же недостаток можно вызвать действием различных факторов и, наоборот, различные пороки возникают при действии одного и того же фактора. Механические факторы: давление, сотрясения, механические травмы, различные виды радиации, особенно проникающей, гипо - и гипертермия. Ионизирующее излучение (один из самых тяжелых за эффектом тератогенов) в различных дозах вызывает различной степени нарушения развития и формы уродства. Ионизирующее излучение даже в малых дозах, не вызывая патологических сдвигов в организме, вызывает мутагенный эффект на половые клетки. Химические тератогены: Нитраты, нитриты. Поступают в организм с переудобренными азотом овощами, в ЖКТ могут превращаться в нитриты. Нитриты, вступая в реакцию с аминами, образуют канцерогенные нитрозамины. Бензопирены. Образуются при жарке и приготовлении пищи на гриле. Их много в табачном дыме. Пероксиды. Образуются в прогорклых жирах и при сильном нагреве растительных масел. Афлатоксины. Продукты обмена плесневых грибов. Следует быть осторожным с заплесневелым хлебом и орехами и следить за влажностью в помещении. Диоксины. Хлорорганические соединения, образующиеся при сжигании бытового мусора. Образуются при хлорировании загрязнененной органикой воды (их можно получить из водопроводного крана весной, когда в поверхностные воды попадают талые воды с полей, удобренных навозом). Антибиотики (тетрациклин, оксациллин, антиметаболиты и др.), сульфаниламиды, варфарин и другие антикоагулянты, гормоны, противосудорожные, противоопухолевые и др. Спирты Растворители Витамины (гипер- и гиповитаминозы). Особую заботу вызывают теперь употребление алкоголя, курение, злоупотребление наркотиками, которые негативно влияют на внутриутробное или постнатальное развитие. Алкоголь – частый тератоген, а злоупотребление алкоголем во время беременности – частая причина химического индуцированного тератогенеза. Он непосредственная причина каждой 10-й эмбриональной патологии. Из 10 умственно неполноценных детей пятеро рождается от родителей-алкоголиков. Чрезвычайно широкий спектр аномалий проявляется у детей, рожденных матерями, которые злоупотребляли алкоголем: пороки развития сердца, почек, половых органов, кожи, скелета и суставов, анэнцефалии, гидроцефалии, микроцефалии, челюстно-лицевые аномалии. Биологические тератогены: бактериальные токсины, вирусы (простой герпес, вирусный гепатит, грипп, краснуха, ветрянка, вирусы Коксаки, цитомегаловирус и др.), факторы иммунологической несовместимости, токсоплазмы. Особенности влияния тератогенных факторов: 1. Действие тератогенных факторов имеет дозозависимый характер. У разных биологических видов дозозависимость тератогенного действия может различаться. 2. Для каждого тератогенного фактора существует определенная пороговая доза тератогенного действия. Обычно она на 1-3 порядка ниже летальной. 3. Различия тератогенного действия у различных биологических видов, а также у разных представителей одного и того же вида связаны с особенностями всасывания, метаболизма, способности вещества распространяться в организме и проникать через плаценту. 4. Чувствительность к разным тератогенным факторам в течение внутриутробного развития может меняться. Выделяют следующие периоды внутриутробного развития человека. оплодотворение; имплантацию (7-8-е сутки эмбриогенеза); развитие осевого комплекса зачатков органов и плацентацию (3-8-я недели); развитие головного мозга (15-20-я недели); формирование основных систем организма, в том числе половой (20-24-я недели); 5. В случаях, когда тератогенное действие оказывают возбудители инфекций, пороговую дозу и дозозависимый характер действия тератогенного фактора оценить не удается. Эпигенетическая наследственность. Импринтинг. Болезни, связанные с нарушением импринтинга. Эпигенетическим наследованием называют наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, вызываемые механизмами, отличными от изменения последовательности ДНК. В более узком смысле слово «эпигенетика» означает модификацию генной экспрессии, обусловленную наследственными, но потенциально обратимыми изменениями в структуре хроматина и/или в результате метилирования ДНК. В случае эпигенетического наследования не происходит изменения последовательности ДНК, но другие генетические факторы регулируют активность генов. Лучшим примером эпигенетических изменений для эукариот является процесс дифференцировки клеток. В течение морфогенеза тотипотентные стволовые клетки становятся плюрипотентными линиями клеток, которые в тканях эмбриона затем превращаются в полностью дифференцированные клетки. В процессе дифференцировки активируются одни гены и инактивируются другие. Эпигенетические изменения: Процесс метилирования цитозина – наиболее изученный механизм эпигенетической регуляции активности генов, может влиять на активность генов несколькими способами. В частности, метильные группы могут физически препятствовать контакту фактора транскрипции со специфичными участками ДНК, могут участвовать в процессе ремоделирования хроматина. инактивации X-хромосом у эмбриона. Образование конститутивного хроматина Метилирование, фосфорилирование, ацетилирование гистонов РНК-интерференция Генетический импринтинг – механизм, с помощью которого различается активность генов в зависимости от того, от какого родителя они получены – материнского или отцовского организма. В участках генома, подверженных импринтингу, происходит моноаллельная экспрессия генов. В одних случаях импринтингу подвергаются отцовские гены, и, следовательно, транскрибируются материнские, а в других – материнские, что приводит к отклонению от менделевских законов. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства. Примеры: тяжелая (злокачественная) шизофрения – проявляется более выраженно, если наследуется по отцовской линии; нейрофиброматоз Реклингаузена (тип 2) – мутация в гене SCH (22q12); наследуется по материнской линии; псориаз – проявляется тяжелее, если наследуется по отцовской линии; синдром Прадера-Вилли (СПВ) – делеция критического района, находящегося в отцовской хромосоме 15 (15q11.2-q13) или синдром Ангельмана (СА) – делеция того же района, находящегося в материнской хромосоме; эпилепсия – проявляется тяжелее, если наследуется по материнской линии; синдром «крика кошки» - проявляется более выраженно, если делеция захватывает отцовскую хромосому 5. |