Основные понятия генетики.
Методы генетических исследований.
Законы Г. Менделя, их статистический характер и цитологические основы. Хромосомная теория наследственности. Сцепленное наследование. Взаимодействие генов. Внеядерными наследственность.
Генетика. Методы генетических исследований
Генетика - наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов.
Это относительно молодая отрасль биологии. Датой его рождения считают 1900, когда три ботаники, которые проводили опыты по гибридизации растений - голландец Г.де Фриз, немец К.Корренс и австриец Е.Чермак, независимо друг от друга нашли забытую труд чешского исследователя Грегора Менделя «Опыты над растительными гибридами », изданную в 1865 году.
Грегор Мендель
Ученые были поражены тем, насколько последствия их опытов приближались к полученным Менделем. Впоследствии законы наследственности, установленные Менделем, восприняли ученые разных стран, а тщательные исследования доказали их универсальный характер.
Название «генетика» предложил английский ученый У.Бетсон в 1906 году. Новый этап в развитии генетики связан с именем выдающегося американского генетика Т.Х.Морган и его учеников. Итогом их исследований стало создание хромосомной теории наследственности, которая повлияла на дальнейшее развитие не только генетики, но и биологии в целом.
Основные генетические понятия.
Как вам известно, элементарной единицей наследственности является ген. Ген - это участок молекулы нуклеиновой кислоты, которая определяет наследственные признаки организмов. Он кодирует первичную структуру молекул полипептида, белка, типа РНК или взаимодействует с регуляторным белком. Гены, которые несут наследственную информацию об определенных признаках (например, размеры организмов, цвет волос, глаз, форму плодов), могут находиться в разных состояниях (аллелях). Аллельные гены - это гены, находящиеся в разных состояниях, но занимают одно и то же место (люкус) в хромосомах одной пары (гомологичных хромосомах) и определяют различные состояния определенного признака (высокий или низкий рост, рыжие или черные волосы, голубые или карие глаза, овальная или шаровидная форма плода и т.д.).
Аллельные гены могут быть доминантными или рецессивными. Аллель, которая в присутствии другой всегда проявляется в форме кодированного ею состояния признаки, называется - доминантной, а та, что не проявляется - рецессивным. Явление подавления проявления одной аллели другой называется доминированием (от лат. Доминатис - господствующий). Например, в помидоров аллель, что приводит красная окраска плодов доминирует над аллели желтого; у человека аллель, определяющий карий цвет глаз доминирует над аллели голубого. Доминантные аллели обозначают большими латинскими буквами (А, В, С, D и т.д.), а соответствующие им рецессивные - строчными (a, b, c, d и т.д.).
Определенный ген может быть представлен не только двумя, но и значительно большим количеством аллелей (десятки, иногда сотни). Но при этом следует помнить, что в диплоидных клетках одновременно присутствуют только два аллельных гена, а в гаплоидных - один. Например, у человека три аллельные гены (их обозначают ИО, ИА, ИВ) в различных сочетаниях определяют четыре группы крови: первую (ИОИО), вторую (ИА или ИАИО), третью (ИВиВ или ИО) и четвертую (ИАИВ). Существование различных аллелей одного гена обеспечивает комбинативную изменчивость, ибо различные сочетания аллелей, полученных от родителей, вызывают проявление определенных состояний признаков у потомков.
Совокупность генетической информации, закодированной в генах клетки организма, называется генотипом (от греч. Генос - род, происхождение и типос - отпечаток). В результате взаимодействия генотипа с факторами окружающей среды формируется фенотип (от греч. Фаина - представляю) - совокупность всех признаков и свойств организма.
Итак, предметом генетических исследований является явления наследственности и изменчивости организмов. Наследственность - это свойство живых организмов передавать свои признаки и особенности онтогенеза потомкам обеспечивая преемственность поколений организмов. Изменчивость - способность живых организмов приобретать новые признаки и их состояний в процессе индивидуального развития. Наследственность и изменчивость являются противоположными свойствами живых организмов. Благодаря наследственности потомки подобные родителей, то есть сохраняется стабильность биологических видов. Изменчивость обеспечивает появление новых признаков и их состояний, благодаря чему происходят видообразования и историческое развитие биосферы в целом.
Методы генетических исследований.
Генетические исследования осуществляют в нескольких направлениях: изучение материальных носителей наследственной информации - генов, а также закономерностей ее хранения и передачи потомкам; исследования зависимости проявлений наследственной информации в фенотипе от определенных условий окружающей среды; установление причин изменений наследственной информации и механизмов их возникновения; изучение генетических процессов, которые происходят в популяциях организмов.
Результаты генетических исследований проблем наследственности и изменчивости является теоретической базой для решения практических вопросов. Основой современной селекции (науки о создании новых пород и сортов) служат представления о генетических последствиях различных типов скрещивания, влияние искусственного отбора на наследственные признаки организмов, значения факторов окружающей среды для развития признаков и тому подобное. Главные направления медицинской генетики - профилактика и лечение наследственных заболеваний, исследования мутагенных факторов в целях защиты от них генотипа человека и тому подобное. Генетика является теоретической базой и для генетической (генной) инженерии (искусственный синтез генов, выделения генов из организма, перенос генов из одних организмов в другие и т.д.).
Методы генетических исследований. В решении теоретических и практических генетических проблем зависимости от уровня организации живой материи (молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой) ученые применяют соответствующие методы исследований.
Гибридологический метод, примененный Менделем, заключается в скрещивании (гибридизации) организмов, отличающихся по определенным состояниями одного или нескольких наследственных признаков. Потомков, полученных от такого скрещивания, называют гибридами (от греч. Гибрида - смесь). Гибридизация лежит в основе гибридологического анализа - исследование характера наследования состояний признаков с помощью системы скрещиваний.
Скрещивание бывает моногибридного, дигибридном и полигибридном. Моногибридное скрещивания - это сочетание родительских форм, которые отличаются различными состояниями только одной наследственного признака (например, цветом семян) дигибридное - двух признаков (например, цветом семян и структурой его поверхности), полигибридное - трех и более.
Генеалогический метод заключается в изучении родословных организмов. Это позволяет проследить характер наследования различных состояний определенных признаков в ряду поколений. Он широко применяется в медицинской генетике, селекции и др. С его помощью устанавливают генотип особей и вычисляют вероятность проявления того или иного состояния признака в будущих потомков.
Родословные составляют в виде схем по определенным правилам: организм женского пола обозначают кругом, мужской - квадратом. Обозначение особей одного поколения располагают в строку и соединяют между собой горизонтальными линиями, а родителей и потомков - вертикальной. На мал.72 представлена часть родословной английской королевы Виктории, среди потомков которого были и российские императоры. исследуя этот родословную, можно проследить наследование такого заболевания, как гемофилия (незсидання крови).
Популяционно-статистический метод позволяет изучать ты частоты встречаемости аллелей в популяциях организмов, а также генетическую структуру популяций. Кроме генетики популяций, его применяют и в медицинской генетике для изучения распространения определенных аллелей среди людей (главным образом тех, которые определяют те или иные наследственные заболевания). Для этого выборочно исследуют часть населения определенной территории и статистическое обрабатывают полученные данные.
Например, с помощью этой методики было выявлено, что аллель, которая предопределяет дальтонизм (нарушение восприятия цветов), встречается в 13% женщин (из них болезнь проявляется только в 0,5%) и у 7% мужчин (больные все).
Цитогенетический метод основан на исследовании особенностей хромосомного набора (кариотипа) организмов. Изучение кариотипа позволяет выявлять мутации, связанные с изменением как числа хромосом, так и структуры отдельных из них. Кариотип исследуют в клетках на стадии метафазы, потому что в этот период клеточного цикла структура хромосом выражена наиболее четко.
Этот метод применяют и в систематике организмов (кариосистематика). Так, многие виды-двийниюв (видов, которых трудно, а иногда даже невозможно распознать по другим особенностями) различают по хромосомным набором. Такие случаи известны среди насекомых, земноводных, грызунов и тому подобное. Например, в 30-е годы XX столетия ученые обратили внимание на различную частоту заболеваний малярией в расположенных рядом местностях. Исследование кариотипа малярийного комара показало, что это не один вид, как считали ранее, а комплекс видов-двойников, одни из которых переносят возбудителей малярии, а другие - нет.
Биохимические методы используют для диагностики наследственных заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ. С их помощью выявляют белки, а также промежуточные продукты обмена, несвойственные данному организму, что свидетельствует о наличии измененных (мутантных) генов. Известно более 500 наследственных заболеваний человека, обусловленных такими генами (например, сахарный диабет).
Близнецовый метод заключается в изучении однояйцевых близнецов (организмов, которые происходят из одной зиготы). Однояйцевые близнецы всегда одного пола, поскольку имеют одинаковые генотипы. Исследуя такие организмы, можно выяснить роль факторов окружающей среды в формировании фенотипа особей: разный характер их влияния приводит различия в проявления тех или иных состояний определенных признаков.
Отдельную группу составляют методы генетической инженерии, с помощью которых ученые выделяют из организмов отдельные гены или синтезируют их искусственно, перестраивают определенные гены, вводят их в геном другой клетки или организма. Геном - совокупность генов гаплоидного набора хромосом организмов определенного вида. Кроме того, ученые могут соединять гены разных видов в одной клетке, то есть сочетать в одной особи наследственные признаки, присущие этим видам.
Работы Г. Менделя и их значение
Честь открытия основных закономерностей наследования признаков, наблюдающихся при гибридизации, принадлежит Грегору (Иоганну) Менделю (1822-1884) - выдающемуся австрийский естествоиспытатель, настоятелю августинского монастыря Св.Фомы в г. Брюнне (ныне г. Брно в Чехии). <Биографическая справка>
Главной заслугой Г. Менделя является то, что для описания характера расщепления он впервые применил количественные методы, Основанные на точном подсч большого числа потомков с контрастирующими вариантами признаков. Г. Мендель выдвинул и экспериментально обосновал гипотезу о наследственной передаче дискретных наследственных факторов. В его работах, выполнявшихся в период с 1856 по 1863 г., были раскрыты основы законов наследственности. Результаты своих наблюдений Г. Мендель изложил в брошюре «Опыты над растительными гибридами» (1865).
Мендель следующим образом формулировал задачу своего исследования. «До сих пор, - отмечал он во« вступительных замечания »к своей работе - не удалось установить всеобщего закона образования и развития гибридов ... Окончательное решение этого вопроса может быть достигнуто только тогда, когда будут произведены Детальные опыты в различнейших растительных семействах. Кто пересмотрит работы в этой области, тот убедится, что среди многочисленных опытов ни один не был произведен в том объеме и таким образом, чтоб можно было определить число различных форм, в которых появляются потомки гибридов, с достоверностью распределить эти формы по Отдельным поколениям и установить их Взаимные численные отношения ».
Первое, на что Мендель обратили внимание, - это выбор объекта. Для своих исследований Мендель выбрал удобный объект - чистые линии (сорта) гороха посевного (Pisum sativum L.), различающиеся по одному или немногим признакам. Горох как модельный объект генетических исследований характеризуется следующими особенностями:
1. Это широко распространенное однолетнее растение из семейства Бобовые (мотыльковые) с щодо коротким жизненным циклом, выращивание которого НЕ вызывает затруднений.
2. Горох - строгий самоопылителей, что Снижает вероятность заноса нежелательной посторонних пыльцы. Цветки в гороха мотыльков типа (с парусом, веслами и лодочкой) в то же время строение цветка гороха таково, что техника скрещивание растений щодо проста.
3. Существует множество сортов гороха, различающихся по одному, двум, трем и четырем наследуемыми признакам.
Едва да не Самым существенным во всей работе было определение числа признаков, по Которым Должны различаться скрещиваемые растения. Мендель впервые осознал, что, только начав с самого простого случая - различия родителей по одному-единственному признаку - и постепенно усложняя задачу, можно надеяться распутать клубок фактов. Строгая математичность его мышления выявилась здесь с особенной силой. Именно такой подход к постановке опытов позволил Менделю четко планировать дальнейшее усложнение исходных данных. Он еще не только точно определял, к какому этапу работы следует перейти, но и математически строго предсказывал будущий результат. В этом отношении Мендель стоял выше всех современных ему биологов, изучавший явления наследственности уже в XX в.
Рассмотрим некоторые из опытов Менделя подробнее.
Опыт 1. Скрещивание сортов, различающихся по окраске цветков.
Первый год. На двух смежных делянках выращивалось два сорта гороха, различающихся по окраске цветков: пурпурноцветковый и белоцветковый. В фазе бутонизации Мендель произвёл кастрацию части цветков на пурпурноцветковых растениях: он аккуратно разрывал лодочку и удалял все 10 тычинок. Затем на кастрированный цветок надевался изолятор (трубка из пергамента), чтобы исключить случайный занос пыльцы. Через несколько дней (в фазе цветения), когда пестики кастрированных цветков становились готовыми к восприятию пыльцы, Мендель произвёл скрещивание: он снял изоляторы с кастрированных цветков пурпурноцветкового сорта и нанёс на рыльца их пестиков пыльцу с цветков белоцветкового сорта; после этого на опыленные цветки вновь надевались изоляторы. После завязывания плодов изоляторы снимались. После созревания семян Мендель собрал их с каждого искусственно опыленного растения в отдельную тару.
Второй год. На следующий год Мендель вырастил из собранных семян гибридные растения – гибридов первого поколения. На всех этих растениях образовались пурпурные цветки, несмотря на то, что материнские растения были опылены пыльцой с белоцветкового сорта. Мендель предоставил этим гибридам возможность неконтролируемого опыления (самоопыления). После созревания семян Мендель вновь собрал их с каждого растения в отдельную тару.
Третий год. На третий год Мендель вырастил из собранных семян гибридов второго поколения. Часть этих растений дала только пурпурные цветки, а часть только белые, причем пурпурноцветковых растений оказалось примерно в 3 раза больше, чем белоцветковых.
Опыт 2. Скрещивание сортов, различающихся по окраске семядолей.
Особенность этого опыта в том, что окраска горошин (при полупрозрачной семенной кожуре) определяется окраска семядолей, а семядоли являются частью зародыша – нового растения, сформировавшегося под защитой материнского растения.
Первый год. На двух смежных делянках выращивалось два сорта гороха, различающихся по окраске семядолей: желтосемяный и зеленосемянный. Мендель произвёл кастрацию части цветков на растениях, выращенных из желтых семян, с последующей изоляцией кастрированных цветков. В фазе цветения Мендель произвел скрещивание: на рыльца пестиков кастрированных цветков он нанес пыльцу с цветков растений, выращенных из зеленых семян. Искусственно опыленные цветки дали плоды только с желтыми семенами, несмотря на то, что материнские растения были опылены пыльцой с зеленосемянного сорта (еще раз подчеркнем, что окраска этих семян определялась окраской семядолей зародышей, которые уже являются гибридами первого поколения). Полученные семена Мендель также собрал с каждого искусственно опыленного растения в отдельную тару.
Второй год. На следующий год Мендель вырастил из собранных семян гибридные растения – гибридов первого поколения. Как и в предыдущем опыте, он предоставил этим гибридам возможность неконтролируемого опыления (самоопыления). После созревания плодов Мендель обнаружил, что внутри каждого боба встречаются и желтые, и зеленые горошины. Мендель подсчитал общее количество горошин каждого цвета и обнаружил, что желтых горошин примерно в 3 раза больше, чем зеленых.
Таким образом, опыты с изучением морфологии семян (окраски их семядолей, формы поверхности семян) позволяют получить результаты уже на второй год.
Скрещивая растения, различающиеся и по другим признакам, Мендель во всех без исключения опытах получил аналогичные результаты: всегда в первом гибридном поколении проявлялся признак только одного из родительских сортов, а во втором поколении наблюдалось расщепление в соотношении 3:1.
На основании своих экспериментов Мендель ввел понятие доминантного и рецессивного признаков. Доминантные признаки переходят в гибридные растения совершенно неизменными или почти неизменными, а рецессивные становятся при гибридизации скрытыми. Заметим, что к подобным выводам пришли французские естествоиспытатели Сажрэ и Нодэн, которые работали с тыквенными растениями, имеющими раздельнополые цветки. Однако величайшая заслуга Менделя в том, что он впервые сумел дать количественную оценку частотам появления рецессивных форм среди общего числа потомков.
Для дальнейшего анализа наследственной природы полученных гибридов Мендель проводил скрещивания между сортами, различающимся по двум, трем и более признакам, то есть проводит дигибридное и тригибридное скрещивания. Далее он изучил еще несколько поколений гибридов, скрещиваемых между собой. В результате получили прочное научное обоснование следующие обобщения фундаментальной важности:
1. Явление неравнозначности наследственных элементарных признаков (доминантных и рецессивных), отмеченное Сажрэ и Нодэном.
2. Явление расщепления признаков гибридных организмов в результате их последующих скрещиваний. Были установлены количественные закономерности расщепления.
3. Обнаружение не только количественных закономерностей расщепления по внешним, морфологическим признакам, но и определение соотношения доминантных и рецессивных задатков среди форм, с виду не отличимых от доминантных, но являющихся смешанными (гетерозиготными) по своей природе. Правильность последнего положения Мендель подтвердил, кроме того, путем возвратных скрещиваний гибридов первого поколения с родительскими формами.
Таким образом, Мендель вплотную подошел к проблеме соотношения между наследственными задатками (наследственными факторами) и определяемыми ими признаками организма. Мендель ввел понятие дискретного наследственного задатка, не зависящего в своем проявлении от других задатков. Эти задатки сосредоточены, по мнению Менделя, в зачатковых (яйцевых) и пыльцевых клетках (гаметах). Каждая гамета несет по одному задатку. Во время оплодотворения гаметы сливаются, формируя зиготу; при этом в зависимости от сорта гамет, возникшая из них зигота получит те или иные наследственные задатки. За счет перекомбинации задатков при скрещиваниях образуются зиготы, несущие новое сочетание задатков, чем и обусловливаются различия между индивидуумами.
Статистический характер закономерностей расщепления
Мендель особенно подчеркивал среднестатистический характер выявленных им закономерностей: количественные закономерности расщепления среди гибридов второго поколения выявляются только при достаточно большом числе наблюдений.
Изучая расщепления по одному признаку, Мендель получил следующие результаты. При анализе расщепления по форме семян из 7324 горошин 5474 были круглыми, а 1850 – морщинистыми (2,99 : 1,01). При анализе расщепления по окраске семян из 8023 горошин 6022 были желтыми, а 2001 – зелеными (расщепление 3,002 : 0,998. Фактические расщепления оказались близкими к соотношению 3 : 1.
При анализе расщепления по двум признакам – форме и окраске горошин – Мендель получил 556 горошин. Из них 423 горошины были круглыми, 133 – морщинистыми (3,043 : 0,957); 416 горошин были желтыми, 140 – зелеными (2,993 : 1,007). При анализе расщепления одновременно по двум признакам 315 горошин были круглыми желтыми, 101 – морщинистыми желтыми, 108 – круглыми зелеными, 35 – морщинистыми зелеными (расщепление 9,02 : 2,89 : 3,09 : 1,00, что близко к соотношению 9 : 3 : 3 : 1).
Скрещивая гибридные пурпурноцветковые растения с белоцветковыми, Мендель получил 85 растений с пурпурными цветками и 81 – с белыми (1,024 : 0,976, что близко к соотношению 1 : 1).
Принципы гибридологического анализа, разработанные Г. Менделем
1 Получение константных форм, не дающих расщепления при воспроизведении.
2 Анализ наследования отдельных пар альтернативных признаков, или анализ наследования признаков, представленных двумя взаимоисключающими вариантами.
3 Количественный учет форм, выщепляющихся в ходе последовательных скрещиваний.
4 Индивидуальный анализ потомства от каждой родительской особи.
Основные закономерности наследования признаков, установленные Менделем
1 При скрещивании чистосортных растений все гибриды первого поколения единообразны и характеризуются доминантным вариантом признака.
2 При скрещивании гибридов первого поколения между собой в их потомстве наблюдается расщепление в соотношении – 3 части растений с доминантным вариантом признака : 1 часть растений с рецессивным вариантом.
3 Отдельные признаки наследуются независимо друг от друга.
В дальнейшем закономерности наследования признаков, выявленные Менделем, получили название законов Менделя.
Дальнейшая судьба работ Менделя
Выявив основные закономерности наследования признаков у гороха, Мендель (по совету профессора Берлинского университета Карла Негели) решил перепроверить полученные им результаты на дикорастущем растении – ястребинке. Однако опыты Менделя по получению константных форм у ястребинки оказались безуспешными. (В настоящее время установлено, что ястребинка – это очень неудобный объект для изучения наследования признаков, поскольку часть семян у этого растения образуется апомиктически, т.е. без оплодотворения.) В итоге Мендель прекратил свои исследования, и его работы оказались полузабытыми (результаты экспериментов Менделя в течение 35 лет цитировались всего лишь 8 раз).
Только к началу XX столетия три исследователя из разных стран – Г. Де Фриз (Голландия), К. Корренс (Германия), Э. Чермак (Австрия) – независимо друг от друга и не зная о работах Менделя, повторили опыты Менделя на горохе и других объектах и подтвердили правильность выводов, сделанных Менделем. 1900 год считается годом переоткрытия законов Менделя и годом рождения современной генетики.
Сам Мендель не мог дать четкую формулировку своих законов, поскольку в 1860-е гг. еще не были открыты хромосомы, не были известны такие явления как мейоз, спорогенез и гаметогенез, гаплоидность гамет и диплоидность зигот. Поэтому современные формулировки законов Менделя были даны лишь в XX веке.
Современные формулировки законов Менделя
1-й закон Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения.
При скрещивании гомозигот все гибриды первого поколения единообразны по генотипу и фенотипу.
Правило чистоты гамет.
При гаметогенезе у гетерозигот в каждую из гамет с равной вероятностью переходит один из двух аллелей.
2-й закон Менделя – закон расщепления.
При моногибридном скрещивании гетерозигот примерно четвертая часть их потомков обладает рецессивным вариантом признака.
3-й закон Менделя – закон независимого наследования отдельных признаков.
Отдельные признаки наследуются независимо друг от друга, если гены, отвечающие за развитие этих признаков, не сцеплены между собой.
Условия выполнения законов Менделя
Законы И. Менделя являются фундаментальными законами генетики (подобно законам Ньютона в физике). Однако они (как и любые законы природы) выполняются только при наличии определенных условий:
1 Подразумевается моногенное наследование. Это означает, что за один признак отвечает один ген. Тогда выстраивается логическая цепочка: «один ген – один полипептид; один полипептид – один фермент; один фермент – одна реакция; одна реакция – один признак».
2 Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В) не влияют друг на друга, не взаимодействуют между собой.
3 Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В), не сцеплены между собой, а сочетания их аллелей образуются случайным образом в равных соотношениях.
4 Выполняется правило чистоты гамет (правило чистоты гамет не является законом).
5 Равновероятность встречи гамет и образования зигот.
6 Жизнеспособность особей не зависит от их генотипа и фенотипа.
7 Законы Менделя носят статистический характер: отклонение от теоретически ожидаемого расщепления тем меньше, чем больше число наблюдений.
8 Каждому генотипу соответствует определенный фенотип (100%-ная пенетрантность признаков).
9 У всех особей с данным генотипом признак выражен в равной степени (100%-ная экспрессивность признаков).
10 Изучаемые признаки не сцеплены с полом.
