Генотип как целостная исторически сложившаяся система. Генетика пола

Тема урока. Генотип как целостная система.

(урок рассчитан на 2 часа учебного времени)

Цель урока: Систематизировать полученные знания путём повторения основных теоретических вопросов, закрепить ведущие понятия. Сформировать понятие о материальных основах наследственности и изменчивости. Научить, на практике, применять законы генетики при решении задач, объяснить механизмы передачи признаков по наследству.

Тип урока: комбинированный.

Методы обучения: эвристический, репродуктивный, частично поисковый.

Межпредметные связи: химия, математика, история.

Оборудование: карточки-задания, таблицы-схемы по общей биологии, динамические модели по генетике.

Учебник: Мамонтов С.Г., Захаров В.Б. «Общая биология», Дрофа, 2000 год.

Ход урока

Организационный момент . Акцентирование внимания школьников на теме и цели урока.

Смотр знаний.

Смотр знаний предусматривает выполнение разноуровневых заданий, призванных помочь формированию и развитию у ребят умений и навыков, углубить знания по основным пробелам общей биологии, а также стимулировать стремление к самостоятельному приобретению знаний.

Задания рассчитаны на индивидуальную форму работы.

Биологический тренажёр

Задание 1.

Дайте определение терминам: гаметы, митоз, конъюгация, пластический обмен, ассимиляция, генотип, фенотип, хроматиды, ген, диплоидный, овогенез, кроссинговер, генетика, цитология, изменчивость, гетерозиготный, гаметогенез, аллель, локус, наследственность.

Задание 2.

Вставьте в текст, пропущенные слова и цифры:

Мейозу предшествует __________________ .

С набор хромосом.

Мейоз состоит из ____________делений.

Первое деление называется __________________.

Оно состоит из __________________ фаз, они называются ____________ .

В результате первого деления образуется ______________ клетки, с _______________ п _______________ с набором хромосом, за счёт _____________________ расхождения.

После второго деления мейоза образуется _______________ клетки с ________________ п __________с набором хромосом, за счёт расхождения _____________ в ____________ фазе деления».

После оплодотворения зигота начинает ___________, при этом образуются ____________. Однослойный зародыш с полостью внутри называется _________. Путём выпячивания образуется второй слой зародыша. Двухслойный зародыш называется ____________. Затем образуется третий зародышевый листок. Наружный слой называется __________, внутренний - _________, промежуточный - ________________. Следующий период эмбрионального развития называется _______________, когда образуются различные организмы.

Задание 3.

Дополните предложенные формулировки символами:

доминантный ген - _________________

рецессивный ген - __________________

гомозигота - _______________________

гетерозигота - ______________________

дигетерозигота - ____________________

родители - _________________________

гибриды первого поколения - ___________

гибриды второго поколения - ___________

гамета А + гамета а = оплодотворение = зигота - _____________

генотип белой крольчихи - ____________ (белая окраска шерсти – рецессивный признак).

Задание 4. Аукцион знаний.

(оценивается каждый, грамотно сформулированный и аргументировано доказанный ответ)

Методы изучения наследственности, их особенности.

Что такое анализирующее скрещивание, с какой целью его проводят?

Сформулировать закон Т. Моргана. В чём его сущность?

Какие Вам известны типы неаллельных генов?

В чём сущность цитоплазматической наследственности?

Методы изучения наследственности человека, в чём их сущность?

Какая изменчивость называется модификационной?

Что такое мутация? Виды мутаций, их значение.

В чём сущность закона гомологических рядов и его практическое значение?

Законы Менделя.

III. Изложение и объяснение нового материала.

Учитель объясняет Законы Менделя с использованием динамических моделей, показывает, что большинство наследственно обусловленных признаков организма находится под контролем не одного, а многих генов. Наряду с этим имеет место и другое явление. Часто ген оказывает действие не на один, а на ряд признаков организма. Приводит пример.

У большинства растений с красными цветками (наследственный признак) в стеблях тоже имеется красный пигмент. У растений с белыми цветками стебли чисто зелёные. У водосбора (демонстрация) ген, обуславливающий окраску цветка, имеет множественное действие. Он определяет фиолетовый оттенок листьев, удлинение стебля и большую массу семян. В животном мире ярким примером служит плодовая мушка дрозофила, которая генетически изучена очень полно. Ген, определяющий отсутствие пигмента в глазах, снижает плодовитость, влияет на окраску некоторых внутренних органов и уменьшает продолжительность жизни.

Учитель заостряет внимание школьников на том, что в настоящее время накопившийся в генетике обширный материал по изучению наследственности у самых различных растений, животных, микроорганизмов доказывает то, что гены проявляют множественное действие.

Наследственной основой организма является генотип. Факт расщепления признаков в потомстве гибридов позволяет утверждать, что генотип слагается из отдельных элементов – генов, которые могут отделяться друг от друга и наследоваться независимо (вспомним второй закон Менделя). Вместе с тем генотип обладает целостностью и не может рассматриваться как простая механическая сумма отдельных генов. Эта целостность генотипа, возникающая исторически в процессе эволюции вида, выражается в том, что отдельные компоненты его (гены), находятся в тесном взаимодействии друг с другом. Развитие признаков организма определяется взаимодействием множества генов, а каждый ген обладает множественным действием, оказывая влияние на развитие не одного, а многих признаков организма. Генотип организма связан с определёнными компонентами клетки, с её хромосомным аппаратом, ДНК.

Историческая справка .

Сообщения учащихся по теме «Гены в нашей жизни» - 10 минут.

Генетический практикум .

Решение генетических задач с целью закрепления и обобщения изученного материала.

Последовательность действий при решении генетических задач:

Краткая запись условия задачи.

Введение буквенных обозначений генов, определение типа наследования, если это не указано.

Запись фенотипов и схемы скрещивания (словами для наглядности).

Определение генотипа в соответствие с условием. Запись генотипов символами генов, под фенотипами.

Определение гамет. Выяснение их числа и находящихся в них генов на основе установленных генотипов.

Составление решётки Пеннета.

Анализ решётки, согласно поставленным вопросам.

Краткая запись ответов.

Задача 1 . У человека ген длинных ресниц доминирует над геном коротких ресниц.

Женщина с длинными ресницами, у отца которой ресницы были короткими, вышла замуж за мужчину с короткими ресницами.

А) сколько типов гамет образуется в генотипе женщины?

Б) сколько типов гамет образуется в генотипе мужчины?

В) какова вероятность рождения в данной семье ребёнка с длинными ресницами?

Г) сколько разных генотипов может быть у детей в этой семье?

Д) сколько разных фенотипов может быть у детей в этой семье?

Задача 2. Голубоглазый мужчина, оба родителя которого были кареглазы, женился на кареглазой женщине, у отца которой карие глаза, а у матери – голубые. От брака родился один голубоглазый сын. Определите генотипы каждого из упомянутых лиц.

Задача 3. При скрещивании серой крольчихи, оба родителя которой были серыми, с серым кроликом, родители которого тоже были серыми, родилось несколько чёрных крольчат. Определите генотип каждой из упомянутых особей, если известно, что серый цвет доминирует над чёрным.

Задача 4 . Какое получится по генотипу и фенотипу потомство, если скрестить розовоплодную (гибридную) землянику с красноплодной? А с белоплодной, если известно, что красный цвет доминирует над белым?

Задача 5 . Черепаховую кошку скрестили с рыжим котом. Определить какими будут котята в первом поколении, если известно, что черный цвет доминирует над рыжим (черепаховый окрас - гетерозигота).

Задача 6. Мохнатую белую морскую свинку, гетерозиготную по первому признаку, скрестили с таким же самцом. Определите формулу расщепления потомства по генотипу и фенотипу, если известно, что мохнатость доминирует над гладкошёрстностью, а чёрный цвет над белым.

Домашнее задание . §58 – 59.

Задача: Мать имеет I группу крови, а отец – III. Какие группы крови могут быть у детей?

Подготовить сообщение

Свойства генов. На основании знакомства с примерами наследования признаков при моно- и дигибридном скрещивании может сложиться впечатление, что генотип организма слагается из суммы отдельных, независимо действующих генов, каждый из которых определяет развитие только своего признака или свойства. Такое представление о прямой и однозначной связи гена с признаком чаще всего не соответствует действительности. На самом деле существует огромное количество признаков и свойств живых организмов, которые определяются двумя и более парами генов, и наоборот, один ген часто контролирует многие признаки. Кроме того, действие гена может быть изменено соседством других генов и условиями внешней среды. Таким образом, в онтогенезе действуют не отдельные гены, а весь генотип как целостная система со сложными связями и взаимодействиями между ее компонентами. Эта система динамична: появление в результате мутаций новых аллелей или генов, формирование новых хромосом и даже новых геномов приводит к заметному изменению генотипа во времени. Характер проявления действия гена в составе генотипа как системы может изменяться в различных ситуациях и под влиянием различных факторов. В этом можно легко убедится, если рассмотреть свойства генов и особенности их проявления в признаках:

Ген дискретен в своем действии, т. е. обособлен в своей активности от других генов.

Ген специфичен в своем проявлении, т. е. отвечает за строго определенный признак или свойство организма.

Ген может действовать градуально, т. е. усиливать степень проявления признака при увеличении числа доминантных аллелей (дозы гена). Один ген может влиять на развитие разных признаков - это множественное, или плейотропное, действие гена. Разные гены могут оказывать одинаковое действие на развитие одного и того же признака (часто количественных признаков) - это множественные гены, или полигены. Ген может взаимодействовать с другими генами, что приводит к появлению новых признаков. Такое взаимодействие осуществляется опосредованно - через синтезированные под их контролем продукты своих реакций.

Действие гена может быть модифицировано изменением его местоположения в хромосоме (эффект положения) или воздействием различных факторов внешней среды.

Взаимодействия аллельных генов. Явление, когда за один признак отвечает несколько генов (аллелей), называется взаимодействием генов. Если это аллели одного и того же гена, то такие взаимодействия называются аллельными, а в случае аллелей разных генов -неаллельными.

Выделяют следующие основные типы аллельных взаимодействий: доминирование, неполное доминирование, сверхдоминирование и кодоминирование.

Доминирование -тип взаимодействия двух аллелей одного гена, когда один из них полностью исключает проявление действия другого. Такое явление возможно при следующих условиях: 1) доминантный аллель в гетерозиготном состоянии обеспечивает синтез продуктов, достаточный для проявления признака такого же качества, как и в состоянии доминантной гомозиготы у родительской формы; 2) рецессивный аллель совсем неактивен, либо продукты его активности не взаимодействуют с продуктами активности доминантного аллеля.

Примерами такого взаимодействия аллельных генов может служить доминирование пурпурной окраски цветков гороха над белой, гладкой формы семян над морщинистой, темных волос над светлыми, карих глаз над голубыми у человека и т. д.

Неполное доминирование , или промежуточный характер наследования, наблюдается в том случае, когда фенотип гибрида (гетерозиготы) отличается от фенотипа обеих родительских гомозигот, т. е. выражение признака оказывается промежуточным, с большим или меньшим уклонением в сторону одного или другого родителя. Механизм этого явления состоит в том, что рецессивный аллель неактивен, а степень активности доминантного аллеля недостаточна для того, чтобы обеспечить нужный уровень проявления доминантного признака. Неполное доминирование оказалось широко распространенным явлением. Оно наблюдается в наследовании курчавости волос у человека, масти крупного рогатого скота, окраски оперения у кур, многих других морфологических и физиологических признаков у растений, животных и человека.

Сверхдоминирование - более сильное проявление признака у гетерозиготной особи (Аа), чем у любой из гомозигот (АА и аа). Предполагается, что это явление лежит в основе гетерозиса (см. § 3.7).

Кодоминирвание - участие обоих аллелей в определении признака у гетерозиготной особи. Ярким и хорошо изученным примером кодоминирования может служить наследование IV группы крови у человека (группа АВ). Эритроциты людей этой группы имеют два типа антигенов: антиген А (детерминируемый геном /\ имеющимся в одной из хромосом) и антиген В (детерминируемый геном /а, локализованным в другой гомологичной хромосоме). Только в этом случае проявляют свое действие оба аллеля - 1А (в гомозиготном состоянии контролирует II группу крови, группу А) и IB (в гомозиготном состоянии контролирует III группу крови, группу В). Аллели 1А и IB работают в гетерозиготе как бы независимо друг от друга.

Взаимодействия неаллельных генов . Неаллельные взаимодействия генов описаны у многих растений и животных. Они приводят к появлению в потомстве дигетерозиготы необычного расщепления по фенотипу: 9:3:4; 9:6:1; 13:3; 12:3:1; 15:1, т.е. модификации общей менделевской формулы 9:3:3:1. Известны случаи взаимодействия двух, трех и большего числа неаллельных генов. Среди них можно выделить следующие основные типы: комплементарность, эпистаз и полимерию.

Комплементарным , или дополнительным, называется такое взаимодействие неаллельных доминантных генов, в результате которого появляется признак, отсутствующий у обоих родителей. Например, при скрещивании двух сортов душистого горошка с белыми цветками появляется потомство с пурпурными цветками. Если обозначить генотип одного сорта ААbb, а другого - ааВВ, то Гибрид первого поколения с двумя доминантными генами (А и В) получил биохимическую основу для выработки пурпурного пигмента антоциана, вто время как поодиночке ни ген А, ни ген B не обеспечивали синтез этого пигмента. Синтез антоциана представляет собой сложную цепь последовательных биохимических реакций, контролируемых несколькими неаллельными генами, и только при наличии как минимум двух доминантных генов (А-В-) развивается пурпурная окраска. В остальных случаях {ааВ- и A-bb) цветки у растения белые (знак «-» в формуле генотипа обозначает, что это место может занять как доминантный, так и рецессивный аллель). При самоопылении растений душистого горошка из F1 в F2 наблюдалось расщепление на пурпурно- и белоцветковые формы в соотношении, близком к 9:7. Пурпурные цветки были обнаружены у 9/16 растений, белые - у 7/16. Решетка Пеннета наглядно показывает причину этого явления (рис. 3.6).

Эпистаз - это такой тип взаимодействия генов, при котором аллели одного гена подавляют проявление аллельной пары другого гена. Гены, подавляющие действие других генов, называются эпистатическими, ингибиторами или супрессорами. Подавляемый ген носит название гипостатический. По изменению числа и соотношения фенотип и чес ких классов при дигибридном расщеплении в F2 рассматривают несколько типов эпистатических взаимодействий: доминантный эпистаз (А>В или В>А) с расщеплением 12:3:1; рецессивный эпистаз (а>В или b>А), который выражается в расщеплении 9:3:4, и т. д.

Полимерия проявляется в том, что один признак формируется под влиянием нескольких генов с одинаковым фенотипичес-ким выражением. Такие гены называются полимерными. В этом случае принят принцип однозначного действия генов на развитие признака. Например, при скрещивании растений пастушьей сумки с треугольными и овальными плодами (стручочками) в F1 образуются растения с плодами треугольной формы. При их самоопылении в F2 наблюдается расщепление на растения с треугольными и овальными стручочками в соотношении 15:1. Это объясняется тем, что существуют два гена, действующих однозначно. В этих случаях их обозначают одинаково- А1и A2 .

Тогда все генотипы (А1 ,-А2,-, А1-а2а2, a1a1A2-) будут иметь одинаковый фенотип - треугольные стручочки, и только растения а1а1а2a2 будут отличаться -- образовывать овальные стручочки. Это случай некумулятивной полимерии.

Полимерные гены могут действовать и по типу кумулятивной полимерии. Чем больше подобных генов в генотипе организма, тем сильнее проявление данного признака, т. е. с увеличением дозы гена (А1 А2 А3 и т. д.) его действие суммируется, или кумулируется. Например, интенсивность окраски эндосперма зерен пшеницы пропорциональна числу доминантных аллелей разных генов в тригибридном скрещивании. Наиболее окрашенными были зерна А1А1А2А2А3,А 3 а зерна а1а1а2a2а3а 3 не имели пигмента.

По типу кумулятивной полимерии наследуются многие признаки: молочность, яйценоскость, масса и другие признаки сельскохозяйственных животных; многие важные параметры физической силы, здоровья и умственных способностей человека; длина колоса у злаков; содержание сахара в корнеплодах сахарной свеклы или липидов в семенах подсолнечника и т. д. Таким образом, многочисленные наблюдения свидетельствуют о том, что проявление большей части признаков представляет собой результат влияния комплекса взаимодействующих генов и условий внешней среды на формирование каждого конкретного признака.

Вопр

Наука иммуногенетика изучает законы наследования антигенных систем, изучает наследственные факторы иммунитета, внутривидовое разнообразие и наследование тканевых антигенов, генетические и популяционные аспекты взаимоотношений макро и микро организмов и тканевой несовместимости. Термин предложил Ирвин. Антиген – продукт активности генов, белковое вещество, встроенное в мембрану клетки, определяет индивидуальность организма. При введении в чужой организм вызывают спец.реакцию реагирующих с ними антителами. Антитела - белки, относящиеся к гамма-глобулинам, содержащимся в крови. Синтезируются в-лимфоцитами.(Врожденные антитела характерны только для АВ0 системы)

Иммуногенетика - раздел иммунологии, занятый изучением четырех основных проблем:

1) генетики гистосовместимости;

2) генетического контроля структуры иммуноглобулинов и других иммунологически значимых молекул;

3) генетического контроля силы иммунного реагирования и

4) генетики антигенов.

Первая из этих проблем связана с направлением исследований, задачи которого - познание причин несовместимости тканей при внутривидовых пересадках - родилось в 30-е годы. Экспериментальные усилия привели к открытию комплекса генов, контролирующих поверхностные клеточные структуры - молекулы (антигены) гистосовместимости, - которые и вызывают иммунную реакцию отторжения чужеродной ткани. (Основные вопросы, связанные со структурой и функциями этих молекул рассматривались ранее (см. " Главный комплекс гистосовместимости (MHC) ". В этой же главе основное внимание уделено освещению отдельных вопросов генетики гистосовместимости).

Вторая проблема иммуногенетики связана с изучением геномной организации иммуноглобулинов. Она возникла после выяснения особенностей молекулярной организации антител и разработанных в середине 60-х годов чисто теоретических представлений о генетических основах их структур. (Вопросы генетического контроля структуры иммуноглобулинов также уже рассматривались и в данном разделе не обсуждаются (см. " ГЕНОМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Ig И ТКР ").

Изучение генетического контроля силы иммунного ответа (третья из перечисленных выше проблем) как самостоятельного направления исследований началось тоже в 60-е годы и вскоре слилось с проблемой, направленной на выяснение механизмов распознавания антигена Т-клетками.

В начале нашего столетия К.Ландштейнером была открыта система АВО групп крови человека. В это же время П.Наттол провел сравнительные изучение антигенных свойств белков сыворотки крови у человека и обезьян. Эти работы привели к формированию задач, целью которых стало выявление функций и характера наследования антигенов клеток, тканей, жидкостей организма. Основной прием состоял в использовании антител, специфичных к искомому антигену. Антитела получали из сыворотки крови иммунизируемых лабораторных животных. В силу методического приема все направление исследований получило название серологии антигенов. (Изучение наследования этих антигенов составляет самостоятельную главу в иммуногенетике и в данном разделе не рассматривается).

Мед.значение:

При переливании, при решении спорного отцовства, для установления зиготности близнецов, картирование хромосом, установление групп сцепления, установлены ассоциации антигенов АВ0 с различными заболеваниями, конфликт про системе АВ0.

Система гистосовместимости(HLA) лейкоцитарные антигены человека, открыта в 1958 году. Эта система представлена белками 2 классов, гены кодирующие эту систему локализуются в коротком плече 6 хромосомы. Эта система полиморфна. Учитывается при трансплантологии, нужно совпадение хотя бы 3 антигенов. В течении всей жизни набор антигенов не меняется.

Гемолитическая болезнь новорожденных

Еще несколько лет назад считали, что гемолитическая болезнь у новорожденного может быть обусловлена только Rh-несовместимостью. В настоящее время известно, что в 30% и более она связана с А или В групповой несовместимостью крови, т. е. с изоиммунизацией в системе AB0. При АВ0-несовместимости у ребенка группа крови А или В, а у матери группа крови 0. Случаи с А группой крови наблюдаются приблизительно в 4 раза чаще, чем с группой крови В, что соответствует нормальному соотношению групп крови. Zuelzer считает, что дети с группой крови А фактически принадлежат к группе крови А2 и реже к группе крови А2. В отличие от Rh-несовместимости при АВ0-системе дети обычно подвергаются неблагоприятному воздействию еще при первой беременности. Антитела при АВ0-несовместимости существуют предварительно, а при Rh-несовместимости необходима предварительная сенсибилизация. Предполагается, что изоиммунизации обусловливается недоказанным фактором С, который содержится только в эритроцитах групп А, В или АВ, но не в 0 группе. При АВ0-несовместимости агглютиноген А или В содержится в эритроцитах ребенка в отсутствует у матери. Сыворотка матери содержит изоагглютинины, которые агглютинируют эритроциты ребенка и вызывают гемолиз. Мать может быть иммунизирована различными способами: при гетерогемотерапии, плазмотерапии и особенно при гетероспецифической беременности. Механизм подобен Rh-изоиммунизации. Разница в том, что антиген содержится не только в самих эритроцитах, но и в плацентарных клетках десквамированного эпителия амниотической жидкости. Антигены существуют не только в человеческом организме. Этим можно объяснить изоиммунизацию после противодифтерийной вакцинации, после введения дифтерийной и других сывороток и введения медикаментов животного происхождения. Гемолитическая болезнь не всегда развивается, а только при титре антител выше 1: 64, достигающем иногда до 1: 1024 и выше. Интересно отметить, что при одновременной АВ0- и Rh-несовместимости редко наступает Rh-сенсибилизация у плода. Резус-положительные эритроциты плода в этих случаях сразу после поступления их в кровообращение матери разрушаются нормальными анти-А- или анти-В- антителами, при этом антигенные свойства Rh-фактора теряются.

В женской консультации беременную обязательно проверяют на резус-фактор. Если он отрицательный, необходимо определить резусную принадлежность отца. При риске резус-конфликта (у отца положительный резус-фактор) кровь женщины неоднократно за время беременности исследуется на наличие резус - антител. Если их нет, значит, женщина не сенсибилизирована и в эту беременность резус-конфликта не произойдет. Сразу после родов определяют резус-фактор у младенца. Если он положительный, то не позднее 72 часов после родов матери вводят антирезусный иммуноглобулин, который предупредит развитие резус-конфликта в последующую беременность. Вы поступите благоразумно, если, отправляясь в роддом, захватите с собой анти-Д-иммуноглобулин (разумеется, если у вас отрицательный резус фактор).

Такую же профилактику иммуноглобулином резус-отрицательные женщины должны проводить в течение 72 часов после:

Внематочной беременности

Выкидыша

Переливания резус-положительной крови

Переливания тромбоцитарной массы

Отслойки плаценты

Травмы у беременной

Амниоцентеза, биопсии хориона (манипуляции на плодных оболочках)

Вопр

Хромосомная теория наследственности. Правила постоянства числа, парности, индивидуальности и непрерывности хромосом, сложное поведение хромосом при митозе и мейозе давно убедили исследователей в том, что хромосомы играют большую биологическую роль и имеют прямое отношение к передаче наследственных свойств. В предыдущих разделах уже были даны цитологические объяснения закономерностей наследования, открытых Менделем. Роль хромосом в передаче наследственной информации была доказана благодаря; а) открытию генетического определения пола; б) установлению групп сцепления признаков, соответствующих числу хромосом;

в) построению генетических, а затем и цитологических карт хромосом.

Наследование пола и хромосомы. Одним из первых и веских доказательств роли хромосом в явлениях наследственности явилось открытие закономерности, согласно которой пол наследуется как менделирующий признак, т.е. наследуется по законам Менделя.Известно, что хромосомы, составляющие одну гомологичную пару, совершенно подобны друг другу, но это справедливо лишь в отношении аутосом. Половые хромосомы, или гетерохромосомы, могут сильно разниться между собой как по морфологии, так и по заключенной в них генетической информации. Сочетание половых хромосом в зиготе определяет пол будущего организма. Большую из хромосом этой пары принято называть X (икс)-хромосомой, меньшую - Y (игрек)-хромосомой. У некоторых животных Y-хромосома может отсутствовать. У всех млекопитающих (в том числе у человека), у дрозофилы и многих других видов животных женские особи в соматических клетках имеют две X-хромосомы, а мужские - Х- и Y-хромосомы. У этих организмов все яйцевые клетки содержат Х-хромосомы, и в этом отношении все одинаковы. Сперматозооны у них образуются двух типов: одни содержат Х-хромосому, другие Y-хромосому, поэтому при оплодотворении возможны две комбинации:

1. Яйцеклетка, содержащая Х-хромосому, оплодотворяется сперматозооном тоже с Х-хромосомой. В зиготе встречаются две Х-хромосомы. Из такой зиготы развивается женская особь.

2. Яйцеклетка, содержащая Х-хромосому, оплодотворяется сперматозооном, несущим Y-хромосому. В зиготе сочетаются Х- и Y-хромосомы. Из такой зиготы развивается мужской организм.

Пол, имеющий обе одинаковые половые хромосомы, называется гомогаметмым, так как все гаметы одинаковые, а пол с различными половыми хромосомами, при котором образуются два типа гамет, называется гетерогаметным. Наследование, сцепленное с полом. Признаки, наследуемые через половые хромосомы, получили название сцепленных с полом. У человека признаки, наследуемые через Y-хромосому, могут быть только у лиц мужского пола, а наследуемые через Х-хромосому - у лиц как одного, так и другого пола. Лицо женского пола может быть как гомо-, так и гетерозиготным по генам, локализованным в Х-хромосоме, а рецессивные аллели генов у него проявляются только в гомозиготном состоянии. Поскольку у лиц мужского пола только одна Х-хромосома, все локализованные в ней гены, даже рецессивные, сразу же проявляются в фенотипе. Такой организм называют гемизиготным.

При записи схемы передачи признаков, сцепленных с полом, в генетических формулах наряду с символами генов указывают и половые хромосомы. Признаки, которые наследуются через Y-хромосому, получили название голандрических. Они передаются от отца всем его сыновьям. К числу таких у человека относится признак, проявляющийся в интенсивном развитии волос на крае ушной раковины.

Сцепление генов а кроссинговер. Во всех примерах скрещивания, которые приводились выше, имело место независимое комбинирование генов, относящихся к различным аллельным парам. Оно возможно только потому, что рассматриваемые нами гены локализованы в различных парах хромосом. Однако число генов значительно превосходит число хромосом. Следовательно, в каждой хромосоме локализовано много Генов, наследующихся совместно. Гены, локализованные в одной хромосоме, называются группой сцепления. Понятно, что у каждого вида организмов число групп сцепления равняется числу пар хромосом, т. е. у дрозофилы их 4, у гороха - 7., у кукурузы - 10, у томата - 12 и т. д. Следовательно, установленный Менделем принцип независимого наследования и комбинирования признаков проявляется только тогда, когда гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах хромосом (относятся к различным группам сцепления). Однако оказалось, что гены, находящиеся в одной хромосоме, сцеплены не абсолютно. Во время мейоза, при конъюгации хромосом гомологичные хромосомы обмениваются идентичными участками. Этот процесс получил название кроссинговера, или перекреста. Кроссинговер может произойти в любом участке хромосомы, даже в нескольких местах одной хромосомы. Чем дальше друг от друга расположены локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними следует ожидать перекрест и обмен участками.

Обмен. участками между гомологичными хромосомами имеет большое значение для эволюции, так как непомерно увеличивает возможности комбинативной изменчивости. Вследствие перекреста отбор в процессе эволюции идет не по целым группам сцепления, а по группам генов и даже отдельным генам. Ведь в одной группе сцепления могут находиться гены, кодирующие наряду с адаптивными (прнспособительными) и неадаптивные состояния признаков. В результате перекреста «полезные» для организма аллели могут быть отделены от «вредных» и, следовательно, возникнут более выгодные для существования вида генные комбинации - адаптивные. Примером тесного сцепления генов у человека может служить наследование резус-фактора. Оно обусловлено тремя парами генов С, Д, К., тесно сцепленных между собой, поэтому наследование его происходит по типу моногибридного скрещивания. Резус-положительный фактор обусловлен доминантными аллелями. Поэтому при браке женщины, имеющей резус-отрицательную группу крови, с мужчиной, у которого резус-фактор положительный, если он гомозиготен, все дети будут резус-положительными; если гетерозиготен, следует ожидать расщепления по этому признаку в соотношении

Точно так же близко расположены в Х-хромосоме гены гемофилии и дальтонизма. Если уж они есть, то наследуются вместе, а находящиеся в той же хромосоме гены альбинизма локализованы на значительном расстоянии от гена дальтонизма и могут дать с ним высокий процент перекреста.

Линейное расположение генов. Генетические карты. Существование кроссинговера позволило школе Моргана разработать в 1911-1914 гг. принцип построения генетических карт хромосом. В основу этого принципа положено представление о расположении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу расстояния между двумя генами условились принимать 1 % перекреста между ними. Эту величину называют морганидой. в честь генетика Т.Г. Моргана.

Допустим, что к одной группе сцепления относятся гены А и В. Между ними обнаружен перекрест в 10%. Следовательно, эти гены находятся на расстоянии 10 единиц (морганид). Допустим далее, что к этой же группе сцепления относится ген С. Чтобы узнать его место в хромосоме, необходимо выяснить, какой процент перекреста он дает с обоими из двух уже известных генов. Например, если с А он дает 3% перекреста, то можно предположить, что ген С находится либо между А и В, либо в противоположной стороне, т.е. А расположен между С и В. В общей форме эту закономерность можно выразить следующей формулой: если гены А, В, С относятся к одной группе сцепления и расстояние между генами А и В равно k единицам, а расстояние между В и С равно l единицам, то расстояние между A и С может быть либо k+l, либо k–l.

Начато составление карт хромосом человека. Уже известны 24 группы сцепления: 22 аутосомные и 2 сцепленные с полом в Х- и Y-хромосомах. Генетические карты хромосом строятся на основе гибридологического анализа. Однако найден способ построения и цитологических карт хромосом для дрозофилы. Дело в том, что в клетках слюнных желез личинок мух обнаружены гигантские хромосомы, превышающие размеры хромосом из других клеток в 100-200 раз и содержащие в 1000 раз больше хромонем. Оказалось, что в тех случаях, когда гибридологическим методом обнаруживались какие-либо нарушения наследования, соответствующие им изменения имели место и в гигантских хромосомах. Так, в результате сопоставления генетических и цитологических данных стало возможным построить цитологические карты хромосом. Это открытие подтверждает правильность тех принципов, которые были положены в основу построения генетических карт хромосом. Метод картирования хромосом человека. Установить группы сцепления, а тем более построить карты хромосом человека, пользуясь традиционными методами, принятыми для всех других эукариотов (растений и животных), практически невозможно. Тем не менее в построении карт хромосом человека достигнут значительный прогресс, благодаря использованию нового метода- гибридизации соматических клеток грызунов и человека в культуре ткани. Оказалось, что если в культуре смешать, клетки мыши и человека, то можно получить гибридные клетки, содержащие хромосомы одного и другого вида. В норме клетки мыши имеют 40 хромосом, человека, как известно,- 46 хромосом. В гибридных клетках следует ожидать суммарное число хромосом - 86, но обычно этого не бывает и чаще всего гибридные клетки содержат от 41 до 55 хромосом. При этом, как правило, в гибридных клетках хромосомы мыши сохраняются все, а утрачиваются какие-либо хромосомы человека; потеря тех или иных из хромосом случайна, поэтому гибридные клетки имеют разные наборы хромосом. В гибридных клетках хромосомы как мыши, так и человека функционируют, синтезируя соответствующие белки. Морфологически каждую из хромосом мыши и человека можно отличить и установить, какие именно хромосомы человека присутствуют в данном конкретном наборе, и, следовательно, выяснить, синтез каких белков связан с генами данных хромосом. Гибридные клетки обычно теряют ту или иную хромосому человека целиком. Это дает возможность считать, что если какие-либо гены присутствуют или отсутствуют постоянно вместе, то они должны быть отнесены к одной группе сцепления. Этим методом удалось установить все возможные для человека группы сцепления. Далее, в ряде случаев, используя хромосомные аберрации (транслокации и нехватки), можно определить расположение генов в том или ином участке хромосом, выяснить последовательность их расположения, т. е. построить карты хромосом человека. Наибольшее число генов удалось локализовать в Х-хромосоме, где их известно 95, в наиболее крупной из аутосом – первой - 24 гена. Ген, определяющий группы крови по системе АВ0, оказался в девятой хромосоме, определяющий группы крови по системе MN - во второй, а по группе крови системы резус-фактора (Rh) - а первой хромосоме. В этой же хромосоме локализован ген элиптоцитоза (El), доминантный аллель которого кодирует овальную форму эритроцитов. Расстояние между локусами Rh и El равно 3%. Локализация патологических генов во всех хромосомах человека имеет большое значение для медицинской генетики. Основные положения хромосомной теории наследственности. Закономерности, открытые школой Моргана, а затем подтвержденные и углубленные на многочисленных объектах, известны под общим названием хромосомной теории наследственности. Основные положения ее следующие:

1. Гены находятся в хромосомах. Каждая хромосома представляет собой группу сцепления генов. Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом.

2. Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус). Гены в хромосомах расположены линейно.

3. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен аллельными генами.

4. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.

Вопр

Генетические явления на молекулярном уровне (основы молекулярной генетики). Хромосомная теория наследственности закрепила за генами роль элементарных наследственных единиц, локализованных в хромосомах. Однако химическая природа гена долго еще оставалась неясной. В настоящее время известно, что носителем наследственной информации является ДНК.Убедительные доказательства того, что именно с ДНК связана передача наследственной информации, получены при изучении вирусов. Проникая в клетку, они вводят в нее лишь нуклеиновую кислоту с очень небольшой примесью белка, а вся белковая оболочка остается вне зараженной клетки. Следовательно, введенная в клетку ДНК передает генетическую информацию, необходимую для образования нового поколения вируса такого же вида.

Далее было обнаружено, что чистая нуклеиновая кислота вируса табачной мозаики может заразить растения, вызывая типичную картину заболевания. Более того, удалось искусственно создать вегетативные «гибриды» из вирусов, в которых белковый футляр принадлежал одному виду, а нуклеиновая кислота - другому. В таких случаях генетическая информация «гибридов» всегда в точности соответствовала тому вирусу, чья нуклеиновая кислота входила в состав «гибрида». Доказательства генетической роли ДНК были получены и в ряде опытов по заражению бактериальных клеток вирусами. Вирусы, поражающие бактерии, называют бактериофагами (или просто фагами). Они состоят из белковой капсулы правильной геометрической формы и молекулы нуклеиновой кислоты, свернутой в виде спирали. Хорошо изучен жизненный цикл у фага Т2 (ДНК-содержащий вирус), размножающегося внутри бактерии кишечной палочки. Фаг прикрепляется своим отростком к клеточной оболочке, с помощью ферментов разрушает участок клеточной мембраны и через образовавшееся отверстие вводит свою ДНК в клетку. Попав внутрь клетки, нуклеиновая кислота вируса приводит к извращению нормальной работы клетки, прекращается синтез собственных бактериальных белков, и весь контроль над биохимическим аппаратом клетки переходит к вирусной ДНК.

Из имеющихся в клетке аминокислот и нуклеотидов синтезируются белковые капсулы, идет репродукция ДНК, т. е. образуются новые зрелые фаговые частицы, их количество быстро увеличивается. Жизненный цикл фага заканчивается выходом фаговых частиц в окружающую среду и распадом клетки. Такие фаги называются вирулентными. Когда белок фага был помечен радиоактивной серой (35S), а ДНК - радиоактивным фосфором (32Р), оказалось, что вновь образованные фаги содержали только радиоактивный фосфор, которым была помечена ДНК, а частиц 35S не было обнаружено ни у одной фаговой частицы. Эти опыты наглядно показали, что генетическая информация от внедрившегося фага его потомкам передается только проникающей в клетку нуклеиновой кислотой, а не белком, содержащимся в капсуле вируса. Важные доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации были получены на микроорганизмах в явлениях трансформации и трансдукции. Трансформация - включение чужеродной ДНК в бактериальную клетку. Это перенос наследственной информации от одной клетки прокариотов к другой посредством ДНК бактерии-донора или клетки-донора. Явление трансформации было обнаружено в опытах английского микробиолога Гриффитса (1928), работавшего с двумя штаммами пневмококка. Они отличаются по внешнему виду и болезнетворным свойствам. Штамм S имеет капсульную оболочку и отличается высокой вирулентностью. При введении этих бактерий подопытным мышам последние заболевали инфекционной пневмонией и погибали. Клетки штамма R отличаются отсутствием капсульных оболочек, при введении их животным гибели не наступало.

Долгое время считали, что взаимоотношения вируса и бактериальной клетки могут быть только приводящими бактерию к гибели. Однако впоследствии было обнаружено, что, поражая бактерию, не все фаги приводят ее к активному разрушению. Это так называемые умеренные фаги. Они могут вести себя в клетке и как вирулентные, но могут объединяться с бактериальным геномом, встраивая свою ДНК в хромосом) клетки-реципиента. В таком состоянии размножения фага не происходит, он становится профагом и реплицируется (воспроизводится) вместе с хромосомой бактерии. Бактерия остается неповрежденной, не лизируется. Такие штаммы бактерии называются лизогенными (гр. lisis - растворение), так как они несут в себе фактор, угрожающий целостности бактериальных клеток, вызывающий их разрушение, растворение.

Встраивание профага происходит путем кроссинговера между фаговой и бактериальной хромосомами. Таким образом, генотип клеток-реципиентов может измениться, они приобретут какие-то свойства клеток первого штамма. Явление трансдукции было обнаружена в опытах с бактериями из различных штаммов. V-образная трубка в нижней части была разделена бактериальным фильтром. В одной половине ее находились бактерии кишечной палочки, имеющие фермент, расщепляющий лактозу и содержащие пгофаг (ген lac+), а в другой половине - штамм, не обладающий этим ферментом (ген lac-). Бактериальные клетки не могли проникать через перегородку. Через некоторое время при анализе клеток второго штамма оказалось, что среди них появились формы lac+. Перенос гена мог произойти только с помощью вируса, находившегося в лизогенном штамме и приступившего к размножению. Этот вирус, проникнув через бактериальный фильтр, внес ген lac+ в бактериальные клетки, т. е. произошла трансдукция. Процесс трансдукции является не только подтверждением генетической роли ДНК, он используется для изучения структуры хромосом, тонкого строения гена и, как будет показано ниже, является одним из важнейших методов, применяемых в генной инженерии. Итак, изучение химической структуры ДНК и ее генетических функций позволяет ныне рассматривать гены как участки нуклеиновой кислоты, характеризующиеся определенной специфической последовательностью нуклеотидов. Расшифровка материальной сущности гена - одно из важных достижений современной биологической науки.

Вопр

Комплексное изучение структуры и функции генома привело к формированию самостоятельной научной дисциплины, названной «геномикой». Предмет этой науки -строение геномов человека и других живых существ (растений, животных, микроорганизмов и др.), задача - применить полученные знания для улучшения качества жизни человека. В рамках этой новой научной дисциплины проводятся исследования по функциональной геномике, сравнительной геномике, а также по генетическому разнообразию человека.

Важнейший элемент геномных исследований - характеристика различных генов, составляющих эти геномы, изучение механизмов их регуляции, взаимодействия друг с другом и с факторами среды в норме и при патологии. Охарактеризовать таким образом как можно большее количество генов - основная задача функциональной геномики. Анализ любого генома включает определение нуклеотидной последовательности, белковых продуктов генов, изучение взаимодействия разных генов и белков и механизма регуляции всей системы. После расшифровки генома усилия исследователей фокусируются на изучении белковых продуктов генов. Еще одно важное направление функциональной геномики - траискриптомика - изучает координированную работу генов, образование первичных транскриптов, процессы сплайсинга и формирования зрелых мРНК.

Геном человека - геном биологического вида Homo sapiens. В большинстве нормальных клеток человека содержится полный набор составляющих геном 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две - X-хромосома и Y-хромосома - определяют пол (XY - у мужчин или ХХ - у женщин). Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидов ДНК, образующих 20 000-25 000 генов.

В ходе выполнения проекта «Геном человека»содержимое хромосом находящихся в стадии интерфаза в клеточном ядре (вещество эухроматин), было выписано в виде последовательности символов. В настоящее время эта последовательность активно используется по всему миру в биомедицине. В ходе исследований выяснилось, что человеческий геном содержит значительно меньшее число генов, нежели ожидалось в начале проекта.

По результатам проекта Геном человека, количество генов в геноме человека составляет около 28000 генов. Начальная оценка была более чем 100 тысяч генов. В связи с усовершенствованием методов поиска генов (предсказание генов) предполагается дальнейшее уменьшение числа генов.

Интересно,что число генов человека не намного превосходит число генов у более простых модельных организмов, например, круглого червя или мухи. Так происходит из-за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг. Альтернативный сплайсинг позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена. В результате человеческий протеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоны, и интроны часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене.

Гены неравномерно распределены по хромосомам. Каждая хромосома содержит богатые и бедные генами участки. Эти участки коррелируют с хромосомными бандами (полосы поперёк хромосомы, которые видно в микроскоп) и с CG-богатыми участками. В настоящий момент значимость такого неравномерного распределения генов не вполне изучена.

Кроме кодирующих белок генов человеческий геном содержит тысячи РНК-генов, включая транспортную РНК, рибосомную РНК и прочие не кодирующие белок РНК последовательности.

Термин «генотип» предложен в 1909 г. датским генетиком Вильгельмом Иогансеном. Он же ввел термины: «ген», «аллель », «фенотип», «линия», «чистая линия», «популяция».

Генотип - это совокупность генов данного организма. У человека около 100 тыс. генов.

Генотип как единая функциональная система организма сложился в процессе эволюции. Признаком системности генотипа является взаимодействие генов.

Аллельные гены (точнее, их продукты - белки) могут взаимодействовать друг с другом:

• в составе хромосом - примером является полное и неполное сцепление генов;
• в паре гомологичных хромосом - примерами являются полное и неполное доминирование, кодоминирование (независимое проявление аллельных генов).

Неаллельные гены взаимодействуют в следующих формах:

1.19. Изменчивость, ее виды и биологическое значение

Изменчивость - это всеобщее свойство живых систем, связанное с вариациями фенотипа и генотипа, возникающими под влиянием внешней среды или в результате изменений наследственного материала. Различают наследственную и ненаследственную изменчивость.

Наследственная изменчивость бывает комбинативной, мутационной, неопределенной.

Комбинативная изменчивость возникает в результате новых сочетаний генов в процессе полового размножения, кроссинговера и других процессов, сопровождающихся рекомбинациями генов. В результате комбинативной изменчивости возникают организмы, отличающиеся от своих родителей по генотипам и фенотипам.

Мутационная изменчивость связана с изменениями последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК, выпадения и вставок крупных участков в молекулах ДНК, изменений числа молекул ДНК (хромосом). Сами подобные изменения называют мутациями . Мутации наследуются.

Мутации выделяют:

• генные, вызывающие изменения конкретного гена. Генные мутации бывают как доминантными, так и рецессивными. Они могут поддерживать или, наоборот, угнетать жизнедеятельность организма;
• генеративные, затрагивающие половые клетки и передающиеся при половом размножении;
• соматические, не затрагивающие половые клетки. У животных не наследуются, а у растений наследуются при вегетативном размножении;
• геномные (полиплоидия и гетероплоидия), связанные с изменением числа хромосом в кариотипе клеток;
• хромосомные, связанные с перестройками структуры хромосом, изменением положения их участков, возникшего в результате разрывов, выпадением отдельных участков и т.д.

Наиболее распространены генные мутации, в результате которых происходит изменение, выпадение или вставка нуклеотидов ДНК в гене. Мутантные гены передают к месту синтеза белка уже иную информацию, а это, в свою очередь, ведет к синтезу других белков и возникновению новых признаков-Мутации могут возникать под влиянием радиации, ультрафиолетового излучения, различных химических агентов. Не все мутации оказываются эффективными. Часть их исправляется при репарациях ДНК. Фенотипически мутации проявляются в том случае, если они не привели к гибели организма. Большинство генных мутаций носят рецессивный характер. Эволюционное значение имеют фенотипически проявившиеся мутации, либо обеспечившие особям преимущества в борьбе за существование, либо, наоборот, повлекшие их гибель под давлением естественного отбора.

Мутационный процесс повышает генетическое разнообразие популяций, что создает предпосылки для эволюционного процесса.

Частоту мутаций можно повышать искусственно, что используют в научных и практических целях.

Ненаследственная изменчивость

Ненаследственная, или групповая (определенная), или модификационная изменчивость - это изменения фенотипа под влиянием условий внешней среды. Модификационная изменчивость не затрагивает генотип особей. Пределы, в которых может изменяться фенотип, определяются генотипом. Эти пределы называют нормой реакции. Норма реакции устанавливает границы, в которых может изменяться конкретный признак. Разные признаки обладают разной нормой реакции - широкой или узкой. Так, например, изменчивость глаза млекопитающих невелика и обладает узкой нормой реакции. Удойность, коров может варьировать в довольно широких пределах в зависимости от условий содержания породы.

На фенотипические проявления признака влияет совокупное взаимодействие генов и условий внешней среды. Степень проявления признака называют экспрессивностью. Частота проявления признака (%) в популяции, где все ее особи несут данный ген, называют пенетрантностью. Гены могут проявляться с разной степенью экспрессивности и пенетрантности. Например, ген облысения может проявляться с пенетрантностью 100% или 50%, что зависит от конкретных условий среды, количества и взаимодействия генов, ответственных за развитие признака.

Модификационные изменения не наследуются в большинстве случаев, но не обязательно носят групповой характер и не всегда проявляются у всех особей вида, находящихся в одинаковых условиях среды. Модификации обеспечивают приспособленность особи к этим условиям.

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Из отношений чисто человечьих, Дающих вездесущей жизни ход, Рождающих и радость, и кручины, Есть отношенья женщины с мужчиной. А можно говорить наоборот. Всё остальное, если Вам угодно, От этих отношений производно. Василий Федоров.

Тема. Генотип как целостная система. Взаимодействие генов.

Мне необходимо разобраться самому. А чтобы разобраться самому, нужно думать сообща... Борис Васильев

Цели: 1. Знать: типы взаимодействия генов, генетическую терминологию; 2. Понимать суть различных взаимодействий генов; 3. Уметь: оперировать генетическими понятиями, объяснять целостность генотипа; 4. Применять термины и понятия в ситуациях повседневной жизни. 5. Оценивать результаты взаимодействия генов с точки зрения их значимости для конкретного организма.

Ген Признак Плейотропное (от греч. pleion – множество и tropos – направление) или множественное действие гена – это влияние одного гена на формирование нескольких признаков. Признак 1 Признак 3 2

Ген Признак Взаимодействие генов – это влияние нескольких генов на развитие одного признака. Ген 1 Ген 3 2

Взаимодействие генов Неаллельных Аллельных 1. Комплементарность. 2. Эпистаз. 3. Полимерия. 1. Полное доминирование. 3. Кодоминирование. 2. Неполное доминирование.

Экспресс - лотерея! 1 2 3 4 5

Выводы: 1. Генотип – это система, взаимодействующих генов. 2. Целостность этой системы характеризуется взаимосвязью и согласованностью биохимических и физиологических процессов. 3. Взаимодействуют друг с другом как аллельные, так и неаллельные гены, расположенные в различных локусах одних и тех же и разных хромосом.

Творческое задание. Буриме. Создайте поэтическое произведение, используя рифмы: 1. Наследственность – ответственность. 2. Локус – фокус. 3. Генотип – фенотип. 4. Раз – эпистаз. 5. Плейотропия – утопия. 6. Комплементарность – благодарность. 7. Век – человек. Разрешается: 1. Любая последовательность. 2. Использование рифм с другими генетическими терминами. Критерии оценки: 1. Содержание. 2. Благозвучие.

Полное доминирование A – желтая окраска горошин a – зеленая окраска горошин P ♀ AA ♂ aa желтые зеленые гаметы A a F 1 Aa желтые x

Неполное доминирование B – пурпурная окраска лепестков b – белая окраска лепестков P ♀ BB ♂ bb пурпурные белые гаметы B b F 1 Bb розовые x

Кодоминирование I A – антигены A I B – антигены B тип взаимодействия аллельных генов, при котором у гетерозиготных организмов проявляются оба аллельных гена. i 0 – отсутствие антигенов Генотип Антигены на поверхности эритроцитов Группа крови i 0 i 0 0 (I) I A I A I A i 0 A (II) I B I B I B i 0 B (III) I A I B AB (IV) отсутствие антигенов антигены A антигены B антигены A и B (кодоминир.)

(от лат. kompementum – дополнение) тип взаимодействия неаллельных генов, при котором признак проявляется лишь в случае одновременного присутствия в генотипе организма двух доминантных неаллельных генов. A и B – нормальный слух другие варианты – глухота глухая глухой гаметы Ab aB Комплементарность нормальный слух (комплементарность) P ♀ AAbb ♂ aaBB x F 1 AaBb

Эпистаз (от греч. epistasis – остановка,препятствие) тип взаимодействия неаллельных генов, при котором один ген подавляет действие другого неаллельного гена. S – подавляет I A и I B гр. крови 0 гр. крови B гаметы i 0 S I B s I A – антигены A I B – антигены B i 0 – отсутствие антигенов s – не подавляет I A и I B гр. крови 0 (эпистаз) P ♀ i 0 i 0 SS ♂ I B I B ss x F 1 I B i 0 Ss

(от греч. poly - много) тип взаимодействия неаллельных генов, при котором степень проявления признака зависит от числа доминантных неаллельных генов в генотипе организма. A – темная окраска кожи негритянка белый мулат гаметы AB ab a – светлая окраска кожи B – темная окраска кожи b – светлая окраска кожи P ♀ AABB ♂ aabb x F 1 AaBb Полимерия

1 О целостности генотипа свидетельствует взаимодействие генов. В чем оно проявляется?

Особенности любого организма определяют белки, входящие в состав клеток. Почему же считают, что формирование признаков организма происходит под воздействием генов? 2

В чем проявляется связь между генами, белками и признаками организма? 3

Генотип нельзя рассматривать как сумму генов. Объясните почему? 4

О чем свидетельствует взаимодействие и множественное действие генов? В чем проявляются различия между этими явлениями? 5

В генетике ген – это участок хромосомы, определяющий развитие одного или нескольких признаков. Совокупность всех признаков организма называется фенотипом , а совокупность всех генов – генотипом . Ген может находиться в доминантном, то есть сильном состоянии (А), всегда проявляющемся в фенотипе, или рецессивном , слабом состоянии (а). Рецессивный признак проявляется в фенотипе только у рецессивных гомозигот: аа. Доминантный признак проявляется в фенотипе как у доминантных гомозигот (АА), так и у гетерозигот (Аа).

Фенотипический признак (фен) – любое отдельное качество или свойство, по которому один индивид отличается от другого:

1. морфологические (цвет глаз и др.).

2. биохимические (уровень активности какого-либо фермента).

3. физиологические (глухота, слепота и др.).

4. биофизические (антиоксидантная система).

5. иммунологические (состояние иммунной системы).

Ген в отношении фена имеет следующие свойства:

1. дискретность – в своей активности ген обособлен относительно других генов. Разные признаки характеризуются разными генами.

2. специфичность – ген отвечает за формирование определенного признака или группы определенных признаков. Множественное действие генов называют плейотропным действием.

3. градуальность (дозированность) действия гена, т.е. степень проявления признака зависит от дозы аллеля.

4. разные гены могут влиять на формирование одного признака – это полигенное наследование. Чем больше этих генов, тем выраженнее признак, например у человека, пигментация кожи.

5. стабильность действия генов, которая обеспечивает видовое постоянство

признаков в ряду поколений. Стабильность относительна.

мутабельность – способность генов к мутациям, которая проявляется в наличии у генов двух или более аллельных состояний. Множественный аллелизм – это состояние, когда ген представлен двумя и более аллелями. Например, у человека - это наследование групп крови системы АВО (Н). Группы крови отличаются наличием антигенов на поверхности эритроцитов и антител в сыворотке.

НАСЛЕДОВАНИЕ ГРУПП КРОВИ У ЧЕЛОВЕКА

7. гены могут обладать разной пенетрантностью – степенью фенотипического проявления гена. Пенетрантность может зависеть от пола, зиготности.

8. способность генов взаимодействовать в системе генотипа:

а) межаллельные (между аллельными генами): полное доминирование, неполное доминирование, кодоминирование.

б) межгенные (между неаллельными генами): комплементарность, эпистаз, полимерия, эффект положения гена.

Аллельные гены – это гены, расположенные в одинаковых локусах (местах) гомологичных хромосом и отвечающие за развитие одного и того же признака. Формы взаимодействия аллельных генов:

1. Полное доминирование: доминантный аллель полностью подавляет проявление рецессивного и по фенотипу доминантная гомозигота не отличается от гетерозиготы (например, у человека – цвет глаз, карие доминируют над голубыми: АА и Аа – карие глаза, аа – голубые).

2. Неполное доминирование (промежуточное наследование). Доминантный аллель не полностью подавляет проявление рецессивного аллеля и у гетерозигот признак занимает промежуточной положение (например, курчавые волосы – АА, гладкие волосы – аа, волнистые волосы – Аа).

3. Кодоминирование.Оба аллеля проявляют одинаковую функциональную активность в их сочетании появляется новый фенотипический признак (например, наследование 4 группа крови у человека).

Неаллельные гены – гены, которые расположены в разных локусах гомологичных хромосом (сцепленные гены) или в негомологичных хромосомах (свободнокомбинирующиеся гены) и, как правило, отвечающие за развитие разных признаков. Формы взаимодействия неаллельных, свободно-комбинирующихся генов:

1.Комплементарность (взаимодополнение). Это такая форма взаимодействия неаллельных свободнокомбинирующихся генов, при котором совместное присутствие в генотипе двух доминантных неаллельных генов обуславливает формирование нового варианта признака. При отсутствии одного из них или обоих, признак не воспроизводится. Например у человека нормальная речь и слух формируется только при наличии в генотипе генов А и В.

2. Эпистаз.Это форма взаимодействия неаллельных свободно-комбинирующихся генов, при которой один ген (эпистатический, супрессор, ингибитор, подавитель) подавляет функциональную активность другого (гипостатического) гена. Супрессором может быть и доминантный, и рецессивный ген. Этот тип взаимодействия наиболее характерен для генов, регулирующих работу генов в ходе онтогенеза и для генов иммунной системы человека.

3. Полимерия. Это форма взаимодействия неаллельных свободно-комбинирующихся генов, при которой за формирование одного признака отвечает несколько неаллельных генов. Пример, пигментация кожи у человека: негр – А1А1А2А2 (то есть все доминантные аллели), белый – а1а1а2а2 (то есть все рецессивные аллели). При всех остальных вариантах генотипа – мулаты.

Основные закономерности наследования были открыты Г. Менделем и сформулированы им в 1865 году в работе «Опыты над растительными гибридами». Признаки, которые наследуются в соответствии с законами Менделя – менделирующие.

Скрещивание по одной паре альтернативных (взаимоисключающих) признаков – моногибридное. Законы Менделя:

1. Правило единообразия гибридов первого поколения (правило доминирования): При скрещивании гомозиготных организмов, различающихся по одной паре альтернативных признаков, все потомство будет единообразным как по фенотипу, так и по генотипу.

2 правило расщепления признаков во втором гибридном поколении: При скрещивании двух гетерозиготных организмов в потомстве наблюдается расщепление в соответствии 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.

3. Дигибридное скрещивание. Правило независимого комбинирования признаков: При скрещивании гомозиготных организмов, анализируемым по двум или более парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое комбинирование признаков и соответствующих им генов разных аллельных пар при условии, что гены, контролирующие эти признаки, локализованы в разных парах гомологичных хромосом.

Вопросы для самоконтроля :1. Дайте определения гено и фенотипа.

2. Напишите генотипы доминантной и рецессивной гомозигот, гетерозиготы.

3. Сформулируйте все 3 закона Менделя.

4. Дайте определение аллельных и неаалельных генов, перечислите формы их взаимодейтсвия

5. Напишите генотипы всех групп крови человека по системе АВО(Н).

Тема № 11: Изменчивость.

Изменчивость – это способность организмов приобретать новые или утрачивать прежние признаки или свойства. В зависимости от реакции генотипа изменчивость подразделяется на ненаследственную, без изменения структуры генотипа (модификации и морфозы) и наследственную, с изменением структуры генотипа (комбинативная и мутационная).

1. Ненаследственная изменчивость

Модификация – это изменение степени выраженности признаков в фенотипе, в пределах нормы реакции, под влиянием факторов окружающей среды или в зависимости от этапов онтогенеза. Модификационная изменчивость позволяет организму приспособится к конкретным условиям окружающей среды. Норма реакции – это пределы, в котором возможны варьирование (изменение) проявления признака данного генотипа. Норма реакции может быть однозначной, то есть признак не зависит от действия факторов окружающей среды (например, группы крови), узкой (например, пигментация кожи) или широкой (уровень артериального давления, масса тела и др.). Свойства модификаций:

3) не наследуется.

4) носят предсказуемый характер.

5) имеют адаптивное значение.

4) носят массовый характер.

Генетическая основа модификаций - изменение степени функциональной активности генов или типа их взаимодействия, но механизмы этого вида изменчивости изучены не достаточно.

Виды модификаций:

1. Сезонные – изменение степени выраженности признаков в зависимости от времени года. Примеры: изменение пигментации кожи человека (появление загара летом), окраски шерсти у зайца и др.

2. Экологические - формирование фенотипов в конкретных климатических условиях. У людей различают 9 экологических адаптивных типов. На севере формируется арктический адаптивный тип, для которого характерны относительно низкий рост, мощное развитие жировой ткани, повышенный уровень гемоглобина и эритроцитов и др.

3. Онтогенетический – изменение признаков в зависимости от этапов онтогенеза (смена зубов, изменение пигментации волос и др.).

Интенсивность модификационных изменений пропорциональна степени силы действия фактора, её вызывающего. Отрезок времени, в течение которого можно вызвать модификацию определённого признака, называют модификационным периодом. Ряд признаков обладает большим модификационным периодом, у других он более короткий.

Морфозы – это изменение степени выраженности признаков в фенотипе, выходящее за пределы нормы реакции, под влиянием факторов окружающей среды. Морфозы могут возникнуть только в эмбриональный период развития и фенотипически проявляются врождёнными пороками развития (ВПР). Факторы окружающей среды, приводящие к возникновению ВПР, называют тератогенами. Тератогены подразделяют на физические (все виды ионизирующей радиации, гипертермия и др.), химические (пестициды, лекарственные препараты, никотин, консерванты и др.) и биологические (вирусы герпеса, краснухи, гриппа, эпидемического паротита, ветряной оспы, полиомиелита, гепатита, цитомегаловирусы, протозойная инвазия (токсоплазма)). Примером тератогенного воздействия на плод является синдром краснушного поражения плода: поражение глаз (катаракта, ретинопатия и др.), глухота, микроцефалия, задержка психомоторного развития различной степени выраженности вплоть до формирования умственной отсталости, врождённые пороки сердца.

2. Наследственная изменчивость.

Комбинативная изменчивость – это перекомбинация генов у потомков по сравнению с родителями без изменения структуры генетического материала. Механизмы:

1. Кроссинговер

2. Независимое расхождение гомологичных хромосом и хроматид к полюсам деления в ходе мейоза

3. Случайное сочетание гамет при оплодотворении.

В результате данной изменчивости каждый человека, за исключением монозиготных близнецов, является генетической и, соответственно, фенотипической индивидуальностью.

Механизмы комбинативной изменчивости человека имеют важное эволюционное значение, создавая генетическое многообразие популяций человека за счёт новых комбинаций генов, которые могут закрепляться в ходе естественного отбора. Вместе с тем комбинативная изменчивость может обусловить наследственную патологию, в основе которой заложена различная комбинация мутантных генов или нарушение регуляторных связей между генами.

Мутационная изменчивость. Мутация – это внезапное, стойкое, скачкообразное изменение в структуре генотипа, сопровождающееся изменением фенотипического признака, и передающееся по наследству. Эволюционное значение мутаций – это единственный фактор, поставляющий новые аллельные состояния генов и новые гены в популяции и приводящий к их первичному генетическому разнообразию, что делает возможным естественный отбор и эволюцию. С другой стороны мутации – это основа наследственной патологии, в том числе и человека. Мутагенез – это процесс формирования мутаций под действием факторов окружающей среды - мутагенов. Мутации могут возникать спонтанно, без видимых на то причин, но под влиянием внутренней условий в клетке, и в организме в целом. Это спонтанный мутагенез. Общее число мутантных гамет у человека: 10 - 20%.

Факторы, предрасполагающие к спонтанному мутагенезу:

1) возраст: у женщины старше 35 лет, у мужчин старше 45 лет. С возрастом у мужчин повышается вероятность генных мутаций (изменение структуры ДНК), а у женщин – геномных (изменение количества хромосом)

2) эмоционально-стрессовое воздействие. При стрессе ускоряется метаболизм и увеличивается образование свободных радикалов, обладающих мутагенным действием

3) особенности структуры гена. Чем больше ген, чем меньше в нём интронов, тем больше скорость его мутирования.

Мутации, возникшие под влиянием факторов химической или иной природы, сила воздействия которых, заведомо превышает допустимые пределы – это индуцированный мутагенез.

Классификация мутагенов:

1) физические мутагены – все виды ионизирующих излучений, ультрафиолет, гипертермия (свыше 38 градусов), электромагнитные излучения.

2) химические мутагены. Всего зарегистрировано 50-60 тыс. химических соединений и 5-10% от этого количества обладают мутагенной активностью. Это и вещества применяемые в промышленности (фенол, формальдегид и др.), консерванты, красители, подсластители, большинство лекарственных препаратов и т.д.

3) биологические мутагены – вирусы (герпеса, цитомегаловирусы и др.).

Уровни мутационного процесса:

1. Молекулярный:

А) генные мутации – это любое изменение в нуклеотидной последовательности ДНК ядра, вне зависимости от локализации и влияния на жизнеспособность организма. Виды генных мутаций:

1) мутации замены: миссенс-мутация – замена одного смыслового кодона на другой, в результате в белке меняется только одна аминокислота, и нонсенс-мутация – замена смыслового кодона на один из 3 нонсенс-кодонов, в результате чего белок или не синтезируется или синтезируется аномально коротким.

2) мутации типа сдвига рамки считывания, обусловленные выпадением, дупликацией или вставкой (инсерция) нуклеотидов. В результате в белке меняется вся аминокислотная последовательность с места мутации и образуются белки с новыми свойствами.

Применительно к генам все аллели делятся на 2 группы: нормальные аллели или аллели дикого типа – те варианты, которые не нарушают работу генов; и мутантные аллели – те варианты, которые нарушают работу генов. Для любых генов, аллели дикого тип являются преобладающими. Генные мутации лежат в основе моногенных заболеваний человека.

Б) цитоплазматические мутации – это изменение структуры ДНК митохондрий. Это основа митохондриальных болезней.

В) динамические мутации или мутации экспансии. Эти мутации открыты только у человека и были обнаружены в 1991 году. Данные мутации связаны с увеличением числа тринуклеотидных повторов в определённых участках генов. Число этих повторов отличается нестабильностью и колеблется в довольно больших пределах, не вызывая фенотипических изменений. Болезнь возникает, когда число повторов превышает определённый, критический уровень. Наследование этих мутаций отличается от классического менделевского наследования.

2) Клеточный уровень. На этом уровне различают геномные, связанные с изменением числа хромосом, и структурные (аберрации), связанные с нарушением в строении хромосом, мутации.

А) геномные мутации подразделяются на полиплоидию – изменение числа хромосом кратное гаплоидному, и анеуплоидию – изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору хромосом. Среди животных полиплоидия встречается крайне редко – некоторые насекомые и ракообразные. У млекопитающих и человека полиплоидия с жизнью несовместима, она является причиной спонтанного прерывания беременности и мёртворождений. Механизм возникновения полиплоидии – нарушения процессов оплодотворения (полиспермия).

Полиплоидия широко распространена в мире растений (такие растения более крупные, имеют большую плодовитость, но размножаются только вегетативном способом), большая часть культурных растений – полиплоиды.

Анеуплоидия возникает в результате нарушения процессов расхождения хромосом в мейозе, преимущественно у женщин. Самые частые варианты анеуплоидии – это трисомии (в паре хромосом их не 2, а 3) и моносомии (от пары хромосом остаётся только одна хромосома). Анеуплоидия лежит в основе хромосомных синдромов, например синдром Дауна - это трисомия по 21 паре хромосом, а синдром Шерешевского-Тёрнера – это моносомия по половым хромосомам.

Б) Аберрации делятся на внутрихромосомные (нарушено строение только одной хромосомы) и межхромосомные (транслокации)– взаимный обмен, участками хромосом с потерей или без генетического материала (несбалансированные и сбалансированные транслокации). Хромосомные аберрация вероятно явились существенным моментом эволюции человека. Так хромосома № 2 у человека – это результат транслокации двух обезьяньих (шимпанзе) хромосом. Основная причина возникновения аберраций – это нарушение кроссинговера. Аберрации могут лежать в основе хромосомных синдромов и онкологических заболеваний.

3) Тканевой уровень: соматические и генеративные мутации (мутации в половых клетках).

4) Организменный уровень. На данном уровне мутации подразделяются по признаку на морфологические, физиологические и т.д.; по состоянию гена на доминантные и рецессивные мутации; а также на прямые (от дикого типа к новому мутантному типу) и обратные (мутации возвращающие мутантные аллели в обратное дикое, то есть нормальное состояние).

5) Популяционный уровень. Основная масса мутаций на этом уровне - это нейтральные мутации, которые увеличивают генетическое разнообразие популяций и не влияют на жизнеспособность и плодовитость организма. Наиболее редко возникают полезные мутации, повышающие жизнеспособность организма, как правило, в разряд полезных переходят нейтральные мутации при изменении условий среды обитания (например, устойчивость к ВИЧ-инфекции, туберкулёзу и т.д.). Вредные мутации (летальные и полулетальные) – снижающие жизнеспособность и плодовитость организма. Это основа наследственных заболеваний. Как правило, вредные мутации удаляются из генофонда популяций под действием естественного отбора, но если эти мутации в гетерозиготном состоянии дают определённые преимущества, то они сохраняются и передаются из поколения в поколение. Так гетерозиготы по гену серповидноклеточной анемии (в гомозиготном состоянии смертельное заболевание) заболевают малярией в 15 раз реже, чем гомозиготы по нормальному гену. В связи с этим ген данного заболевания широко распространён в странах с тропическим и субтропическим климатом, то есть в тех странах, где встречается малярия.

Антимутагенез – это общебиологический процесс подавления мутационного процесса под действием ряда веществ – антимутагенов. Антимутагены не обладают универсальностью действия, то есть способны подавлять действие одних мутагенов, а в отношении других не активны или даже обладают комутагенной активностью (способностью усиливать мутагенное действие). В настоящее время выделено около 200 органических и неорганических веществ, обладающих антимутагенной активностью. К этим веществам относятся кисломолочные продукты, зелёный чай, чеснок, лук, капуста и другие растения семейства крестоцветных, зелёные яблоки, селен, витамин С и др.

Вопросы для самоконтроля :1. Сформулируйте определение изменчивости.

2. Составьте схему классификации форм изменчивости и дайте характеристику каждой из них.

3. Дайте определение мутагенов и приведите их классификацию с примерами.

4. Дайте оценку эволюционной роли и медицинского значения мутаций.

5. Вспомните классификацию генных мутаций.

6. Назовите механизмы комбинативной изменчивости.

7. Назовите виды модификаций.

8. Объясните разницу между спонтанным и индуцированным мутагенезом.

9. Перечислите уровни мутационного процесса.

10. Дайте определение и приведите примеры антимутагенов.