ГЕНЕТИКА Генетика и ее место в системе естественных

ГЕНЕТИКА Генетика и ее место в системе естественных наук. История развития

Предмет генетики • Термин «генетика» придумал У. Бэтсон, который определил новую науку как физиологию наследственности и изменчивости. • Генетика изучает два неразрывных свойства живых организмов: наследственность и изменчивость. • Наследственность – постоянство признаков • Изменчивость - разнобразие

• Основные этапы развития генетики • • • V - IV в. до н. э. Гиппократ (теория прямого наследования) Аристотель (теория непрямого наследования) 1868 г. Ч. Дарвин (теория пангенезиса ) 1871 г. Ф. Гальтон не нашел экспериментального подтверждения этой теории 1865 г. Г. Мендель «Опыты над растительными гибридами» сформулированы законы непрямого наследования, позже ставшие основой генетики. 1876 г. Ч. Дарвин «Действие перекрестного и самооплодотворения» (Ссылается на статью Гоффмана «Проблема вида и разновидности» , в которой пять раз упомянута статья Менделя. Эти ссылки не привлекли внимания Дарвина. С 1865 по 1900 г. работы Менделя цитировали 6 раз, в том числе и в Британской энциклопедии. И. Г. Кельрейтер (1733 -1806) открыл гибридную мощность и одинаковый результат реципрокных скрещиваний у табака. Т. Э. Найт (1759 - 1838) - эксперименты показавший единообразие гибридов первого поколения и расщепление при самооплодотворении гибридов. Дж. Гесс (1822) обнаружил, что гибриды 2 -го поколения при последующем опылении делятся на расщепляющиеся и нерасщепляющиеся.

• О. Сажре (1763 - 1851) обратил внимание на перераспределение константных признаков при гибридизации. Подошел к понятию комбинативной изменчивости. В 1900 году законы Менделя были переоткрыты: • Гуго де Фриз (Голландия) • Карл Корренс (Германия • Эрих Чермак (Австрия) • Те же законы наследования были открыты для животных: • У. Бэтсон (1902)— особенности наследования гребня у кур • Л. Кюэно (1902) - на примере наследования серой и белой окраски у мышей. • У. Бэтсон (1909) - публикация сводки, где указано свыше 100 признаков растений и приблизительно столько же у животных для которых доказано наследование по Менделю. • Т. Бовери (1889) Ядерная гипотеза наследования • У. Сеттон (1903) Хромосомная теория наследования • А. Вейсман (1834— 1914) — доказательство хромосомной теории наследования

• Доказал невозможность наследования признаков приобретенных в онтогенезе и подчеркивал автономию зародышевых клеток. Объяснил биологическое значение редукции числа хромосом в мейозе для поддержания постоянства диплоидного хромосомного набора вида и основы комбинативной изменчивости. • Г. де Фриз (1901)сформулировал мутационную теорию • Т. Х. Морган (1866— 1945) Развитие хромосомной теории наследственности: к 20 -м годам 20 в. сформулировано представление о линейном расположении генов в хромосоме, создан первый вариант теории гена – элементарного носителя наследственной информации. • Н. В. Вавилов (1920)развитие учения о наследственной изменчивости -закон гомологических рядов наследственной изменчивости • 1925 г. теория мутационного процесса обогатилась открытием индуцированного мутагенеза - Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили влияние радиоактивного излучения на мутагенез у низших грибов • 1929 г. А. С. Серебровский с учениками показали структуру гена дрозофилы

• 1919 г. Ю. А. Филипченко основал первую в СССР кафедру генетики в Петроградском университете • 1921 г. Ю. А. Филипченко организовал в Академии наук лабораторию генетики, которая впоследствии была преобразована в институт генетики. • 1926 г -С. С. Четвериков экспериментально подтвердил значение мутационного процесса в природных популяциях • 1929 г. - первый учебник «Генетика» Ю. А. Филипченко • 1930 г. А. С. Серебровский основал кафедру генетики в Московском университете. «Генетический анализ» 1970 (1948)

• 1932 г. -кафедра генетики растений в Ленинградском университете (Г. Д. Карпеченко - зав. каф. Экспериментально показал возможность объединения двух геномов разных видов растений — показал один из путей видообразования у растений. • 40 -е годы. Дж. Бидл и Э. Тейтум заложили основы биохимической генетики • 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти доказали генетическую роль нуклеиновых кислот в экспериментах по трансформации признаков у микроорганизмов — пневмококков. Рождение молекулярной генетики - т. к. они идентифицировали природу трансформирующего агента - ДНК.

• Сформировалась и развилась клеточная теория. • В общих чертах было выяснено поведение хромосом в митозе и мейозе и при оплодотворении у растений, установлено постоянство хромосомных наборов Основные этапы развития клеточной теории Годы Событие Автор • 1838 1839 Возникновение клеточной теории Т. Шванн М. Шлейден • 1865 Выход работы «Опыты над растительными гибридами» Г. Мендель • Описание митоза: • 1870 у растений Е. Ограсбургер • 1882 у животных В. Флемминг Открытие слияния пронуклеусов при оплодотворении:

• 1875 у животных • 1883 1884 у растений Э. ван Бенеден О. Гертвинг Н. Н. Горожанкин, Е. Страсбургер 1883 – 1884 Возникновение ядерной теории на следственности В. Ру, Е. Страсбургер, О. Гертвиг • 1883 Появление термина «хромосомы» • В. Вальдейер • 1884 1887 Открытие «расщепления» хромосом Л. Гейзер, Л. Гиньяр, Э. ван Бенеден • 1885 Установление постоянства хромосомных наборов. К. Рабль • 1887 Описание редукционного деления В. Флемминг, Э. ван Бенеден • 1900 Переоткрытие законов Менделя К. Корренс Э. Чермак Г. Де Фриз

Закономерности наследования • Грегор Мендель – 1865 – экспериментально обнаружил и сформулировал закономерности наследования • Гибридологический метод (скрещивания – гибридизации) организмов отличающихся по одному или нескольким признакам и детальном анализе потомков. • В случае, когда родительские организмы отличаются друг от друга по одному изучаемому признаку, скрещивание называют моногибридным • 1 закон Менделя. Единообразие первого поколения. Правило доминирования. • Преобладание признака одного из родителей над другим – доминирование, а сам признак – доминантный. • Признаки, не проявляющиеся у гибридов 1 поколения рецессивные

1 закон Менделя • Желтая окраска доминировала над зеленой • Все семена были зеленого цвета • Правило единообразия первого поколения • Мендель использовал «чистые линии» гороха, т. к. растение самоопыляющееся т. е. в пределах сорта нет изменчивости по окраске

Внешние условия меняют степень доминирования Неполное доминирование

• Из гибридных семян гороха Г. Мендель вырастил растения, которые путем самоопыления произвели семена второго поколения: 6022 (3/4) желтых 2001 (1/4) зеленых • 3 : 1 – расщепление признака • Второй закон – закон расщепления. В потомстве полученном от скрещивания гибридов 1 го поколения, наблюдается расщепление: ¼ имеет рецессивный признак; ¾ доминантный

Гомо – и гетерозиготность 3 е поколение • 1/3 выросших из желтых растений второго поколения производила только желтые семена; 2/3 – желтые и зеленые в соотношении 1/3 т. е. были подобны гибридам первого поколения • Все растения, выросшие из зеленых семян давали потомков с зелеными семенами. • Т. Е растения сходные по внешним признакам различаются по наследственным признакам.

• Особи не дающие расщепления вследующем поколении гомозиготы • Особи в потомстве которых в последствии обнаруживается расщепление гетерозиготы

В 60 -х годах 19 в. не было ясных представлений о сущности мейоза и оплодотворения • 80 - годы А. Вейсман –локализация веществ наследственности в хромосомах • 1902 Г. Бовери в Германии • В. Сеттон (Америка) обратили внимание на сходство в поведении хромосом в мейозе и оплодотворении с наследованием признаков по законам Менделя.

• Г. Мендель нашел способ • выражения наблюдающихся в скрещивании типов потомков в алгебраической форме в виде математических соотношений

Расщепление по фенотипу – 3: 1 Расщепление по генотипу -1: 2: 1

• В. Иоганнсен. • Совокупность всех генов организма – генотип • Совокупность всех признаков – внешних, особенностей строения и функционирования клеток и органов фенотип. Он формируется под влиянием генотипа и условий внешней среды

• Гены, определяющие альтернативное развитие одного и того же признака и расположенные в идентичных участках гомологичных хромосом – аллельные гены. • Диплоидный организм может иметь не более двух аллелей одного гена. Исключение составляют половые клетки – гаметы. В результате мейоза в каждой из них остается только по одному аллелю. • В пределах вида аллели могут быть множественными

Примером множественных аллелей может служить наследование групп крови (АВО) Группа крови Генотип I Io I 0 Io II IA IAIA, IAI 0 III IB IBIB, IBIo IY I A IB IAIB Группы крови – иммунологические признаки крови, обусловленные специфическими антигенами, находящимися в эритро-, лейко-, и , тромбоцитах, плазме, тканях

По фенотипу не всегда можно определить генотип особи. Для этого проводят анализирующее скрещивание. Скрещивание гибридной особи с особью гомозиготной по рецессивным аллелям – анализирующее. Это основной способ, позволяющий установить генотип особи – широко используется в генетике и селекции

Внешние условия меняют степень доминирования. Не всегда гетерозиготные организмы. Случаи когда гетерозиготные потомки имеют промежуточный фенотип – неполное доминирование Неполное доминирование

Дигибридное и полигибридное скрещивание. Второй закон Менделя • Скрещивание в котором участвуют особи отличающиеся по двум парам признаков – дигибридное (дигетерозиготы), по нескольким парам признаков – полигибридное. • Результаты такого скрещивания зависят от того, лежат ли гены, определяющие исследуемые признаки в одной хромосоме или в разных

Независимое наследование • Если в дигибридном скрещивании гены находятся в разных парах гомологичных хромосом, то соответствующие пары признаков наследуются независимо.

F 1 F 2 315 гл. желтых : 108 гл. зеленых: 101 морщ. желтое: 32 морщ. Зеленых 9 3 3 1 9 AB – 3 Ab- 3 a. B – 1 ab

закон независимого комбинирования • Расщепление по каждой паре генов идет независимо от других пар генов

Несмешивание аллелей альтернативных признаков в гаметах гетерозиготных организмов – гипотеза чистоты гамет Менделя В генотипе диплоидных организмов могут находиться только два гена из серии аллелей. Остальные аллели этого гена входят в генотипы других особей вида – множественный аллелизм. Он характеризует разнообразие генофонда вида.

Статистическая характер менделевских закономерностей • Условия менделирования признаков – большая выборка рабочего материала • Признаки подчиняющиеся при наследовании законам Менделя называются менделирующими

Теория гена • Ген – единица наследственности, определяющая развитие какого – либо признака организма. Гены находятся в определенных хромосомах и занимают определенное место (локус) • Ген имеет ряд свойств: • Дискретность действия – развитие различных признаков контролируется разными генами, находящимися в различных локусах хромосом

• Стабильность – передача наследственной информации в неизменном виде, при отсутствии мутаций; • Лабильность (неустойчивось ) – связанная с способностью генов к мутациям • пле йотропия - ген за несколько признаков • Экспрессивность – степень выраженности признака • Пенетрантность- частота проявления признаков среди носителей • Признаки организма формируются под воздействием генов.

Теория гена • Ген является единицей структуры • и единицей функции

Ген м-РНК синтез белка (фермента) биохимическая реакция признак условия среды Существенную роль в теории гена сыграла концепция выдвинутая в 40 -е годы 20 в. Дж. Бидлом и Т. Тейтемом «Один ген – один фермент» Это верно лишь если фермент представляет собой одиночный полипептид. Лучше- «один ген –РНК одного типа, одно семейство родственных полипептидов»

Экспрессия генов –действие генов, выражение генов • НАСЛЕДОВАНИЕ РЕЗУС ФАКТОРА (Rh+ и Rh ) • ГРУППА КРОВИ резус – положит. определяется присутствием особой группы антигенов определяемой тремя генами C, D, E; эти гены являются доминантными. Определяющий в синтезе ген D. • ГРУППА КРОВИ резус – отриц. генотип dd • Присутствие генов C E оказывает влияние на активность проявления ( экспрессию) гена D Проявление резус фактора у резусположительных людей может быть выражено сильнее или слабее.

Геномный импритинг • Два аллеля гена экспрессируются дифференциально т. е. экспрессирутся только один из двух аллелей (отцовского или материнского), унаследованный от родителей. • Z. b. У человека ген инсулиноподобного фактора 2 нормально экспрессируется только от аллеля унаследованного от отца

Плейотропия • Один ген может отвечать за несколько признаков • ПЛЕЙТРОПИЯ НАБЛЮДАЕТСЯ ПРИ МНОГИХ наследственных патологиях, когда мутация одного гена приводит к множественным поражениям. • НАПРИМЕР, МУТАЦИИ В ГЕНАХ КОНТРОЛИРУЮЩИХ СИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА ИЛИ ФИБРИЛЛИНА • Синдром Морфана ( наследственое заболевание, связанное с присутствием в генотипе измененного гена проявляется: подвывихом хрусталика, аневризмом аорты, изменением длины пальцев, высоким сводом стопы. В основе лежит нарушение развития соединительной ткани.

Взаимодействие аллельных генов • • Полное доминирование Неполное доминирование Кодоминирование Сверхдоминирование

Внешние условия меняют степень доминирования. Не всегда гетерозиготные организмы. Случаи когда гетерозиготные потомки имеют промежуточный фенотип – неполное доминирование Неполное доминирование

Кодоминирование • Два доминантных гена могут в гетерозиготном состоянии определять свои признаки как это происходит при наследовании групп крови • 4 -я группа - синтезируются аглютиногены А и В

Сверхдоминирование • ГЕНЫ В ГЕТЕЗИГОТНОМ СОСТОЯНИИ ПРОЯВЛЯЮТСЯ СИЛЬНЕЕ, ЧЕМ В ГОМОЗИГОТНОМ. • Это связано с эффектом гетерозиса и с такими признаками как жизнеспособность, продолжительность жизни. • Гетерозис проявляется только в первом поколении.

Неаллельные взаимодействия генов • Комплиментарное взаимодействие • Эпистаз • Полимерия

Комплементарное взаимодействие • К комплиментарным или дополнительно действующим генам относятся такие неаллельные гены, которые при совместном проявлении обуславливают развитие нового признака. • Пример: наследование окраски у душистого горошка

Пурпурная окраска определяется пигментом антоцианом. Ни один из доминантных генов не может вызвать его синтез. Только присутствие двух неаллельных доминантных генов А и В определяет пурпурную окраску F 1 F 2 9 7

Эпистатическое действие рецессивного гена – «бомбейский феномен» в наследовании групп крови. Редкий х-ген подавлял проявление IB, заставляя проявляться только IO ген. У женщин имеющих генотип IBIоx – определялась I группа крови Ee - Ii I E-ii ee-ii Подавление проявления генов одной аллельной пары генами другой пары – эпистаз. Гены подавляющие действие других, неаллельных генов – супрессоры или подавители

Полимерия • Гены, влияющие на один признак, могут быть в разных локусах и усиливать его проявление. Т. е. за проявление одного признака отвечает несколько генов. • Такой признак – полигенный • По полигенному типу наследуются количественные и качественные признаки (рост, масса тела, артеральное давление, цвет кожи) • Степень проявления признака зависит от числа доминантных генов • Цвет кожи определяют полимерные гены S 1 и S 2. В присутствии доминантных аллелей вырабатывается много пигмента и наоборот

Эффект положения • Проявляется в изменении активности генов под влиянием близлежащих генов других аллелей, при перемещении их в результате хромосомных перестроек в иное окружение или другую генотипическую среду.

ПЕНЕТРАНТНОСТЬ • ВЕРОЯТНОСТЬ ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕНА У ЕГО ЗАВЕДОМЫХ НОСИТЕЛЕЙ • ПОЛНАЯ ПЕНЕТРАНТНОСТЬ - ПРОЯВЛЕНИЕ ГЕНА У 100% ЕГО НОСИТЕЛЕЙ • НЕПОЛНАЯ ПЕНЕТРАНТНОСТЬ – ПРОЯВЛЕНИЕ ГЕНА НЕ У ВСЕХ ЕГО НОСИТЕЛЕЙ. (НОСИТЕЛИ САХАРНОГО ДИАБЕТА) • Симптомы заболевания могут проявляться с разной степенью выраженности. Это называется экспрессивностью гена

Сцепленное наследование генов и явление перекреста Дигетерозиготная самка (vg+ норм. кр. ; vg – зачат. кр. b –темная окр. b+серая окр. АВав -два типа гамет АВ и ав в равных количествах. При этом формируются и другие гаметы Ав и а. В. Причина возникновения гамет с новым порядком генов – перекрест гомологичных хромосом Гомозиготный самец

Сцепленное наследование • Т. Морган, А. Стертевант, К. Бриджес, Г. Меллер. • Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно или сцепленно. • Группы генов расположенные в одной хромосоме – группы сцепления • Частота (%) перекреста между двумя неаллельными генами, расположенными в одной хромосоме, пропорциональна расстоянию между ними. О расстоянии между генами судят по частоте перекреста. Один процент перекреста получил название сантиморган (с. М) и принят за единицу измерения генетического расстояния между генами на хромосоме.

Сцепленное наследование А---------Б-----------------С 5 см 7 см А------------------------С 12 см Известно: А------Б==5% А----С==12% В-----С==7%

Сцепленное наследование • Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом т. е. гаплоидному числу хромосом: • Человек – 23 группы сцепления • Горох – 7 групп сцепления