Генетика – наука о наследственности и изменчи- вости

Генетика – наука о наследственности и изменчи- вости организмов. Термин введен Бэтсоном в начале ХХ века. p Наследственность – свойство живых организмов передавать свои признаки потомству (в ходе размножения). p Изменчивость – свойство живых организмов приобретать новые признаки в ходе онтогенеза

Основные понятия генетики p Ген – дискретная единица наследственности, представляющая собой участок молекулы ДНК, контролирующий синтез определенного белка и определяющий возможность развития отдельного признака. p Термин ввел Иогансен в 1909 г. p Гены находятся в хромосомах. Каждый ген занимает в хромосоме определенное место – локус. p Фен – функциональное выражение гена, т. е. признак

Основные понятия генетики p Генотип – совокупность генов организма p Фенотип – совокупность признаков организма p Геном – совокупность всей генетической информации клетки (ДНК, заключенная в гаплоидном наборе хромосом и органоидах) p Генофонд –совокупность генов популяции

Аллельные гены (аллели) p Изменение последовательности нуклеотидов в гене называется мутацией. Различные состояния гена, возникающие в результате мутаций называются аллелями. Ген может иметь от одного до нескольких десятков аллелей. p Но! В генотипе любого диплоидного организма находится два аллеля каждого гена. Расположены они в одинаковых локусах гомологичных хромосом. p Аллельные гены обозначаются одной буквой латинского алфавита с индексами (А 1, А 2, А 3, А 4 и т. д. ) Если аллелей два их обозначают заглавной (доминантный) – А и прописной (рецессивный) -а буквами

Гомозиготы и гетерозиготы p Если в гомологичных хромосомах А А находятся одинаковые аллельные гены, то организм называется гомозиготным. p Если в гомологичных хромосомах А а находятся разные аллели, то организм называется гетерозиготным.

Аллельные гены Неаллельные гены А а В А а Гомологичные хромосомы Гетерозиготный организм Гомозиготный организм Гомозиготный организм по доминантному признаку по рецессивному признаку

Грегор Мендель p Основные закономерности наследования признаков были открыты Г. Менделем. Сообщение о своих исследованиях он сделал в 1865 г. В городе Брно (Чехия). Через год была опубликована его работа «Опыты над растительными гибридами)

Гибридологический метод изучения наследственности p Основан на скрещивании организмов, различающихся одной или несколькими парами признаков. Принципы: p Для скрещивания берутся чистолинейные формы, не дающие расщепления p Учитывается не весь комплекс признаков родителей, а только одна или несколько пар альтернативных признаков p Индивидуальный анализ потомства каждого растения в каждом поколении p Точный количественный учет

Моногибридное скрещивание p Для первых опытов Мендель отобрал растения гороха, отличающиеся по одному признаку. Такое скрещивание называется моногибридным. p Он скрестил растения гороха с желтыми и зелеными семенами. В первом поколении все растения получились с желтыми семенами. Эта закономерность получила название закона единобразия гибридов первого поколения (Первый закон Менделя)

Первый закон Менделя желтые зеленые p При скрещивании Р: ♀ АА х ♂ аа гомозиготных особей, отличающихся по G: А а одной паре признаков, все F 1 Аа потомство первого поколения желтые единобразно как по фенотипу, так и по генотипу.

Доминирование p У гибридов первого поколения из пары признаков проявляется только один. Второй как бы исчезает. Явление преобладания у гибрида признака одного из родителей Мендель назвал доминированием. Признак, проявляющийся в первом поколении получил название доминантного, а не проявляющийся, подавленный – рецессивного.

При скрещивании гибридов первого поколения между собой единобразия не наблюдается. Во втором поколении признаки обоих родителей появляются в определенном числовом соотношении: ¾ несут доминантный признак ¼ - рецессивный. + 3 : 1

Расщепление p Явление, при котором скрещивание гетерозиготных особей приводит к образованию разного по фенотипу потомства Мендель назвал расщеплением. p Второй закон Менделя получил название закона расщепления

Второй закон Менделя (закон расщепления) желтый Р: ♀ Аа х ♂ Аа p При скрещивании двух G: А а А а гетерозиготных особей, анализируемых по F 1 АА , Аа, аа одной паре желтый зеленый признаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу 3: 1, по генотипу 1: 2: 1.

Гипотеза чистоты гамет p Мендель предположил, что при образовании гибридов наследственные факторы (гены) не смешиваются, а сохраняются в неизменном виде. В гибриде присутствуют оба фактора, но проявляется лишь один – доминантный p Связь между поколениями осуществляется через гаметы. Чтобы образовался организм с рецессивным признаком (зеленый), должны слиться гаметы, несущие только ген зеленого цвета, т. к. в присутствии гена желтого цвета зеленый не проявляется. Следовательно, гамета должна быть «генетически чиста» .

Закон чистоты гамет p Когда был изучен механизм мейоза, гипотеза чистоты гамет получила Р: А а х А а цитологическое обоснование – расхождение гомологичных хромосом G: А а при образовании гамет. p Аллельные гены находятся в одинаковых локусах гомологичных хромосом. F 1 А А А а а а p При мейозе в каждую гамету попадает только одна хромосома из гомологичной пары, следовательно только один аллель из пары.

У томатов ген, обусловливающий красный цвет плодов, доминирует над геном желтой окраски. Какие по цвету плоды окажутся у растений, полученных от скрещивания гетерозиготных красноплодных растений с желтоплодными? Дано: Решение: Признак Генотип красные желтые Р: ♀ Аа х ♂ аа Красные А АА, Аа G: А а а плоды Желтые а аа F 1: Аа, аа плоды красные желтые Расщепление: По фенотипу: 1: 1 По генотипу: 1: 1

Анализирующее скрещивание p Проводится для определения генотипа особи с доминантным признаком. Для этого ее скрещивают с рецессивной гомозиготой. Рецессивная гомозигота дает один сорт гамет, следовательно, количество фенотипических классов в потомстве будет соответствовать количеству гамет, образующихся у анализируемой особи.

Анализирующее скрещивание Если при анализирующем p Если при анализирующем скрещивании в потомстве наблюдается единообразие, наблюдается значит анализируемая особь расщепление, значит дает один сорт гамет, т. е. анализируемая особь она гомозиготна. гетерозиготна. Р: ♀АА х ♂аа Р: ♀Аа х ♂аа G: А а G: А а а F 1: Аа F 1: Аа аа

Дигибридное скрещивание p Скрещивание между организмами, различающихся двумя признаками. p Мендель взял растения гороха различающиеся по цвету и форме семян (желтые, гладкие и зеленые, морщинистые)

Дано: Решение: Признак Генотип жел. Глад. Зел. Морщ. Р: ♀ АABB х ♂ ааbb Желтые А АА, Аа G: семена AB ab Зеленые а аа F 1: Аа. Bb семена желтые гладкие Гладкие В ВВ, Bb Единобразие гибридов семена первого поколения Морщи b bb нистые семена

Р: ♀ Аа. Bb х ♂ Аа. Bb Образование гамет Ab АВ А В A b а b a B a. B аb

Р: ♀ Аа. Bb х ♂ Аа. Bb G: ♂ АВ Ab a. B ab ♀ AB AABB AABb Aa. BB Aa. Bb желт, глад Ab AABb AAbb Aa. Bb Aabb желт, глад Желт, морщ a. B Aa. Bb aa. BB aa. Bb желт, глад Зелен. глад ab Aa. Bb Aabb aa. Bb аabb желт, глад Желт, морщ Зелен. глад Зелен, морщ

В F 2 наблюдается расщепление: 9/16 А_В_ -желтые, гладкие 3/16 А_ bb - желтые, морщин. 3/16 аа. В_ -зеленые, гладкие 1/16 ааbb -зеленые, морщин Мендель проанализировал отдельно наследование цвета и формы. Оказалось, что на 12 частей желтых семян приходилос 4 части зеленых, т. е. расщепление по цвету 3: 1. На 12 частей гладких семян приходится 4 части морщинистых, т. е. расщепление по форме тоже 3: 1. Вывод: признаки наследуются независимо друг от друга и могут комбинироваться.

Третий закон Менделя – закон независимого наследования и комбинирования признаков p При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся двумя и более признаками, во втором поколении наблюдается независимое наследование и комбинирование признаков, при условии, если гены, определяющие эти признаки, расположены в разных парах хромосом.

Сцепленное наследование

Томас Морган –американский генетик (1866 -1945) p Изучил механизм наследования признаков, гены которых локализованы в одной паре хромосом p Открыл явление сцепленного наследования. p Работал с плодовой мушкой дрозофилой

Закон Моргана (закон сцепленного наследования, 1910 год) ¡ Признаки, контролируемые генами, лежащими в одной паре гомологичных хромосом, наследуются сцеплено.

Опыты Моргана признак генотип серые, норм. Черные, корот. Р: ♀ААВВ х ♂ааbb Серое А АА, Аа тело G: AB ab Черное а аа тело Нормальн В ВВ, Вb F 1: Aa. Bb ые крылья серые, Короткие b bb нормальные крылья крылья

Опыты Моргана серые, норм. Черные, корот. p Во втором поколении вместо ожидаемого расщепления Р: ♀Аа. Вb х ♂ Аа. Вb 9: 3: 3: 1, он получил в основном родительские G: фенотипы в соотношении примерно 3: 1 AB ab p Цвет тела и длина крыльев наследовались вместе, как F 1: ААВВ, Aa. Bb, ааbb один признак и давали расщепление, характерное серые, норм. Черн. , корот. для моногибридного скрещивания. p Морган предположил, что гены, контролирующие эти признаки, расположены в одной хромосоме.

анализирующее скрещивание. Р: ♀Аа. Вb х ♂ааbb Было предсказано два результата: 1. Если гены лежат в разных 2. Если гены лежат в одной хромосомах, то должно паре хромосом, то наблюдаться независимое дигетерозигота будет их наследование. При давать два сорта гамет, и этом дигетерозигота в потомстве будет образует четыре сорта наблюдаться гамет и в потомстве расщепление 1: 1. получится расщепление 1: 1: 1: 1

Анализирующее скрещивание Черн. кор. сер. норм. p При скрещивании Р: ♀ ааbb х ♂ Аа. Вb гетерозиготного самца с гомозиготной самкой получалось G: аb AB расщепление 1: 1. аb p Морган сделал вывод, F 1: Аа. Вb ааbb что гены находятся в сер. норм. Черн. кор. одной паре хромосом. p Наблюдается полное сцепление генов

Анализирующее скрещивание Р: ♀Аа. Вb х ♂ааbb p При скрещивании гетерозиготной самки с F 1: Aa. Bb, aabb, Aabb, aa. Bb гомозиготным самцом ♀Аа. Вb х ♂ааbb, сер. норм черн. кор сер. кор черн. норм получили: 41, 5% 8, 5% p 41, 5% - серое тело, нормальные крылья p 41, 5% - черное тело, короткие крылья p 8, 5% - серое тело, короткие крылья p 8, 5% - черное тело, нормальные крылья p Наблюдается неполное сцепление генов

Цитологический механизм кроссинговера сер. норм. Черн. кор. • Морган предположил, что в профазу Р: ♀ Аа. Вb х ♂ ааbb первого мейотического деления во A a a время коньюгации хромосомы b b обменялись гомологичными B участками. Это явление получило A a название кроссинговера. G: b B b • В результате кроссинговера образуются гаметы с новым сочетанием признаков. Такие 41, 5% некроссоверные гаметы получили название кроссоверных. A a • Процесс образования b B кроссоверных гамет называется генетической рекомбинацией. 8, 5% Организмы, которые развиваются из кроссоверные таких гамет называются рекомбинантами. a a A a a a A a b b b B b F 1: B b

Анализирующее скрещивание

число рекомбинантов х 100% Частота рекомбинаций = общее число потомков Частота рекомбинаций соответствует числу рекомбинаций при образовании гамет.

Картирование хромосом R – P = 14% p Один из учеников Моргана, А. Х. Стертевант, высказал R – S = 8% мысль, что гены в хромосоме S – P = 6% расположены в линейном порядке и частота 6% 8% рекомбинаций отражает относительное расположение генов в хромосоме: чем дальше P S R друг от друга расположены сцепленные гены, тем больше вероятность того, что между ними произойдет кроссинговер, тем выше частота рекомбинаций. Это открытие позволило составлять генетические карты. За единицу расстояния принимается 1% кроссинговера. Эту величину называют морганидой.

Генетическая карта

Хромосомная теория наследственности Основные положения: 1. Гены находятся в хромосомах 2. Каждый ген занимает в хромосоме определенное место – локус. 3. Гены в хромосомах расположены линейно 4. Каждая хромосома представляет собой группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом 5. Гены в хромосоме сцеплены не абсолютно. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен аллельными генами (кроссинговер). Наименьший участок гена, способный к обмену (рекомбинации) называется реконом. Он равен одной паре нуклеотидов. 6. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.

Иммуногенетика Группы крови. Системы АВО и Rh

Иммунитет p Иммунитет – это свойство организма поддерживать генетический гомеостаз, борьба с генетически чужеродными веществами – антигенами. p Антигенными свойствами обычно обладают высокомолекулярные органические вещества, обладающие видовой специфичностью (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) p Антигены могут быть растительного, животного, микробного, синтетического происхождения, а также они могут образовываться в самом организме (раковые клетки).

Антитела p В ответ на попадание антигена организм вырабатывает антитела. p Антитела – белковые молекулы (гамма- глобулины), вырабатываются особым типом лейкоцитов (В-лимфоциты), содержатся в плазме крови. p Антитела взаимодействуют с антигенами, обезвреживают их.

Что такое «группа крови» ? p Термин «группа крови» характеризует системы эритроцитарных антигенов, полный антигенный «портрет» p В мембране эритроцитов человека содержится более 300 различных антигенов, молекулярное строение которых закодировано соответствующими генами. p Две важнейшие классификации группы крови человека - это система AB 0 и резус-система. p Известно также 46 классов других антигенов, из которых большинство встречается реже

Система АВО p Открыта австрийским иммунологом Карлом Ландштейнером, p В 1891 году он проводил исследование эритроцитов и обнаружил, что в красных кровяных клетках (эритроцитах) некоторых людей может быть специальный маркер, который ученый обозначил буквой А, у других - маркер В, у третьих не обнаруживались ни А, ни В. p в 1900 году была опубликована статья Через год Ландштейнер описал простой способ разделения крови человека на три группы: А, В и С (последняя группа в дальнейшем стала обозначаться как О). p Четвертая группа АВ(IV) была описана ученым Декастелло в 1902 году. Совместное открытие двух ученых получило название системы АВО.

Наследование групп крови системы АВО p Группа крови по системе АВО контролируется геном I, который находится в 9 хромосоме. Ген I имеет три аллельные формы IА IВ IО. Аллель IО рецессивен по отношению к двум другим. Ген I определяет синтез белков-антигенов на мембране эритроцитов и антител к ним в плазме крови. Три аллеля гена образуют 6 генотипов и 4 фенотипа.

Группы крови по системе АВО группа генотип фенотип антигены антитела I(О) IО I ОI О - α, β II(А) IАIА, IАIО A β III(В) IВIВ, IВIО B α IV(АВ) IА, IВ IА IВ A, B -

Несовместимость крови p При встрече одноименных антигена и антитела (А и α, В и β) происходит склеивание эритроцитов (агглютинация) p Комочки эритроцитов закупоривают капилляры, нарушается кровоснабжение органов, что может привести к смерти (гемотрансфузионный шок). p Группа крови обязательно учитывается при переливании крови

Правило переливания p При переливании учитываются эритроциты донора и плазма реципиента p Эритроциты I(О) группы не содержат антигенов, поэтому I(О) группу называют универсальным донором p Плазма IV(АВ) группы не содержит антител, поэтому ее называют универсальным реципиентом I(O) II(A) III(B) IV(AB)

Правило переливания Но! В настоящее время переливают только одногруппную кровь!!!

Rh- система p К. Ландштейнером и А. Винером в 1940 г. в эритроцитах обезьяны макаки-резуса был обнаружен антиген, который они назвали резус-фактором. Этот антиген находится и в крови 85% людей белой расы. У некоторых народов, например, эвенов резус-фактор встречается в 100%. p Кровь, содержащая резус-фактор, называется резус- положительной (Rh+). p Кровь, в которой резус-фактор отсутствует, называется резус- отрицательной (Rh-).

Наследование Rh-фактора p В настоящее время известно, что система резус включает много антигенов, синтез которых контролируется тремя локусами первой С хромосомы: С, Д, Е. Доминантные аллели D определяют синтез антигенов (Rh+), а Е рецессивные – их отсутствие (Rh-). p Локусы тесно сцеплены, не обнаруживают кроссинговера, наследуются всегда вместе. p Наиболее активным является антиген D

Генотипы системы Rh Rh+ Слабо Rh+ Rh- С- D- Е- C- dd E- ссddee сс D- Е- C- dd ee С- D- Е- cc dd E - сс D- ее cc dd ee

Резус -конфликт p Система резус, в отличие от системы АВО, не имеет в норме соответствующих антител в плазме. p Однако если кровь резус-положительного донора перелить резус-отрицательному реципиенту, то в организме последнего образуются специфические антитела по отношению к резус-фактору. p При повторном переливании резус-положительной крови этому же человеку у него произойдет агглютинация эритроцитов, т. е. возникает резус-конфликт, протекающий по типу гемотрасфузионного шока. Поэтому резус-отрицательным реципиентам можно переливать только резус-отрицательую кровь.

Резус -конфликт p Резус-конфликт также может возникнуть при беременности, если кровь матери резус- отрицательная, а кровь плода резус-положительная. p Резус-антигены, проникая в организм матери, могут вызвать выработку у нее антител. Однако значительное поступление эритроцитов плода в организм матери наблюдается только в период родовой деятельности. Поэтому первая беременность может закончиться благополучно.

Резус-конфликт p При последующих беременностях резус- положительным плодом антитела проникают через плацентарный барьер, повреждают ткани и эритроциты плода, вызывая выкидыш или тяжелую гемолитическую анемию у новорожденных. p С целью профилактики резус -отрицательной женщине сразу после родов или аборта вводят концентрированные анти-D- антитела.

Последствия резус-конфликта

Другие системы групп крови p На данный момент изучены и охарактеризованы десятки групповых антигенных систем крови, таких, как системы Даффи, Келл, Кидд, Льюис и др. p Количество изученных и охарактеризованных групповых систем крови постоянно растет.