Генетика статi Зміст лекції 1 Типи детермінації

Генетика статi.

Зміст лекції 1. Типи детермінації статі. 2. Хромосомна теорія визначення статі. Балансова теорія визначення статі. 3. Бісексуальні організмів. 4. Успадкування ознак, зчеплених зі статтю. 5. Різновидність статевого розмноження. 6. Проблема регуляції статі у сільськогосподарських тварин.

1. Типы детерминации пола. Пол - совокупность морфологических и физиологических особенностей организма, обеспечивающих половое размножение, сущность которого сводится к оплодотворению, то есть слиянию мужских и женских половых клеток (гамет) в зиготу, из которой развивается новый организм. Существует тесная взаимосвязь между принципами определения пола у животных с такими фундаментальными проблемами генетики, как: q биологическая значимость обедненных генами и относительно постоянно компактизированных в клеточном цикле так называемых гетерохроматиновых районах хромосом; q совместимость гибридных геномов (возможность получения плодовитых гибридов при отдаленной гибридизации); q иммортализация (бессмертие) отдельных клеточных линий и т. д.

1. Типы детерминации пола. Существует огромное разнообразие вариантов полового размножения и соответствующих ему версий определения пола. Обычно говорят о соматическом поле применительно к соме (от греч. soma - тело) - совокупности клеток многоклеточного организма (исключая половые) - и гаметном поле, подразумевая превращение первичной недифференцированной половой клетки в зрелый сперматозоид и яйцеклетку.

1. Типы детерминации пола. Различают дифференциацию пола (фенотипический пол), то есть появление внешних гениталиев, вторичных половых признаков и первичное определение пола. Под первичным определением пола понимают появление гонады (репродуктивного органа соматической природы) самки или самца - яичника или тестиса.

1. 1 Основные принципы детерминации пола у млекопитающих Классическими эмбриогенетическими исследованиями установлены два правила определения пола у млекопитающих. Первое из них сформулировано в 60 -х годах Альфредом Жостом на основе экспериментов по удалению зачатка будущих гонад (гонадный валик) у ранних эмбрионов кроликов: удаление валиков до формирования гонады приводило к развитию всех эмбрионов как самок.

1. 2 Правило определения пола у млекопитающих Первое : "Специализация развивающихся гонад в тестис или яичник определяет последующую половую дифференциацию эмбриона". Второе : "Y-хромосома несет генетическую информацию, требуемую для детерминации пола у самцов". Комбинация этих двух правил называется принципом Жоста: "Хромосомный пол, связанный с присутствием или отсутствием Y-хромосомы, определяет дифференциацию эмбриональной гонады, которая, в свою очередь, контролирует фенотипический пол организма". Это генетический механизм определения пола.

1. 3 Генетический механизм определения пола Биологическая основа этого механизма - бисексуальность эмбриональных гонад млекопитающих. В таких прогонадах одновременно присутствуют Мюллеровы и Вольфовы протоки - зачатки половых путей соответственно самок и самцов. Первичная детерминация пола начинается с появления специализированных клеточных линий - клеток Сертоли. В последних синтезируется предсказанный MIS, ответственный за прямое или опосредованное ингибирование развития Мюллерова протока - зачатка будущих фаллопиевых труб и матки. Для нормального функционирования клеток Сертоли необходим XY-кариотип. Установлено также, что именно в этих клетках Y-хромосома деконденсирована и, может быть, транскрипционно активна.

1. 4 Тестисопределяющие гены Возможность построения и использования генетических карт животных, в частности Y-хромосомы человека и мыши, обеспечила установление гипотетического TDF. Его идентификация состоялась также благодаря анализу довольно редко встречающихся особей с хромосомной инверсией пола - самцов XX и самок XY. В 1987 году Дэвид Пэйдж и его коллеги, исследуя мужчину XX, унаследовавшего 280 т. п. н. фрагмент Y-хромосомспецифической ДНК, и женщину XY с делецией (нехваткой), захватывающей эту область в результате обмена участками между хромосомами Х и 22, казалось, обнаружили ускользающий TDF. Им оказался присутствующий в Y-хромосоме всех настоящих зверей Eutheria и расположенный в области размером 140 т. п. н. в 100 т. п. н. от границы псевдоаутосомальной области ген ZFY. Дальнейший детальный анализ Y-хромосом - специфических последовательностей у особей с инверсией пола - ограничил поиск районом размером 35 т. п. н. и привел к обнаружению гена, рассматриваемого как истинный эквивалент классического TDF. Этот ген получил название SRY (Sex determining Region Y gene). SRY расположен в полопределяющей области и содержит консервативный домен (HMG-бокс), кодирующий белок размером 80 аминокислотных остатков. Его активность отмечена накануне периода дифференциации прогонады в тестис - 10, 5 -12 -й день эмбрионального развития у мыши и по крайней мере на этой стадии не зависит от присутствия половых клеток.

1. 5 TDF И ДРУГИЕ ГЕНЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ДЕТЕРМИНАЦИИ ПОЛА Исследование более 100 случаев XX индивидуумов, являющихся фенотипическими мужчинами, но не обнаруживающих присутствия гена SRY, заставило Недавно был изолирован ген DAX 1, локализованный на участке Xp 21, кодирующий ядерный рецептор - молекулярный комплекс на поверхности клетки, способный распознавать химические группировки и молекулы. предположить существование рецессивного гена Z. Наличием особого аутосомного гена Tda 1 b, предположительно сцепленного с хромосомами 2 или 4 и взаимодействующего с TDF, объясняют появление овотестиса или яичника у мышей с кариотипом XY.

1. 6 У-хромосома и пол У-хромосома имеет специфические черты, резко отличающие ее от других хромосом набора: 1) обедненность генами; 2) обогащенность повторяющимися блоками нуклеотидов, и в частности многократно тандемно повторяющими (сателлитной ДНК). 3)присутствие значительных гетерохроматиновых районов; 4)наличие области гомологии с Х-хромосомой - псевдоаутосомальной области (PAR). Y-хромосома, как правило, невелика - 2 -3% гаплоидного генома. Тем не менее кодирующей способности ее ДНК у Homo sapiens. Большая часть генов этой хромосомы имеет X-хромосомные аналоги. Это касается и генов, непосредственно вовлекаемых в определение пола: ZFX / ZFY, SOX 3 / SRY, UBE 1 X / UBE 1 Y, SMCX / SMCY.

1. 6 Y-хромосома и пол Y-хромосома, единственная в геноме млекопитающих, не работает непосредственно на реализацию фенотипа. Ее генетическая значимость связана с преемственностью между поколениями, в частности с контролем гаметогенеза, первичной детерминацией пола. Жесткий отбор действует только на немногие ее гены, остальная ДНК более пластична. Первоначально Y-хромосома контролировала "гаметный пол" - гаметогенез и не была связана с первичным определением пола, и только у позвоночных к ней приходит эта функция. В частности, предполагается, что такая специфическая Yхромосомная система "придумана" специально для обеспечения развития эмбрионов обоих полов в "море материнских эстрогенов" - женских половых гормонов.

2. Хромасомная теория определения пола. Основные положения хромосомной теории наследственности Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности: Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален. Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах. Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, то есть наследуются преимущественно сцепленно (совместно), благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида (у гомогаметного пола) или больше на 1 (у гетерогаметного пола). Сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами).

2. Хромасомная теория определения пола. Основные положения хромосомной теории наследственности В 1902— 1903 гг. американский цитолог У. Сеттон и немецкий цитолог и эмбриолог Т. Бовери независимо друг от друга выявили параллелизм в поведении генов и хромосом в ходе формирования гамет и оплодотворения. Эти наблюдения послужили основой для предположения, что гены расположены в хромосомах. Однако экспериментальное доказательство локализации конкретных генов в конкретных хромосомах было получено только в 1910 г. американским генетиком Т. Морганом, который в последующие годы (1911— 1926) обосновал хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенной последовательности, локализованы гены. Таким образом, именно хромосомы представляют собой материальную основу наследственности.

2. 1 Балансовая теория определения пола. Давно замечено, что соотношение мужского и женского полов в потомстве фактически от любого скрещивания близко соответствует соотношению 1 : 1, то есть в достаточно большой группе потомков на 100 самцов рождается 100 самок. Такое расщепление коррелирует с результатами особого генетического скрещивания - аналитического, когда один из родителей гетерозиготен, а другой гомозиготен по анализируемому признаку. Поэтому apriori можно предположить, что один из полов как бы гетерозиготен, а другой гомозиготен по фактору, определяющему пол. Цитологический анализ выявляет наиболее заметное различие у полов - сочетание половых хромосом в кариотипе, причем один пол имеет одинаковые хромосомы, а в кариотипе другого пола две разные половые хромосомы.

Б АЛАНСОВАЯ ТЕОРИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛА У ДРОЗОФИЛЫ В 1921 году один из основоположников современной генетики - Кэлвин Бриджес обнаружил у Drosophila melanogaster, имеющих в гаметах четыре хромосомы, несколько самок, имевших триплоидный набор хромосом, то есть 3 X + 3 A: три набора X-хромосом и три набора аутосом. В результате скрещивания этих самок с нормальными самцами (2 A + XY) в потомстве среди нормальных самок и самцов были обнаружены особи с промежуточным или необычным проявлением половых признаков.

БАЛАНСОВАЯ ТЕОРИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛА У ДРОЗОФИЛЫ Все потомство распалось на восемь классов в зависимости от соотношения половых хромосом и аутосом. 1. 3 X : 3 A - триплоидная самка. 2. 2 X : 2 A - диплоидная самка. 3. (2 X + Y) : 2 A - самка. 4. Особи, имеющие хромосомную конституцию XY : 2 A, то есть отношение числа X-хромосом к числу аутосом, составляет 0, 5, были нормальными самцами. 5 -6. Особи 2 X : 3 A и (2 X + Y) : 3 A, у которых отношение числа X-хромосом к числу аутосом варьировало между 0, 5 и 1, оказались особенно интересными; у них было найдено смешанное проявление мужских и женских половых признаков; К. Бриджес назвал их интерсексами. 7. Если число наборов аутосом увеличивалось до трех при наличии одной X -хромосомы (X : 3 A), развивался "сверхсамец" - организм с гипертрофированными признаками самца, однако стерильный. 8. И наконец, увеличение числа X-хромосом до трех при диплоидном наборе аутосом (3 X : 2 A) ведет к формированию "сверхсамки" с ненормально развитыми яичниками и другими нарушениями признаков пола.

3. Бисексуальность организмов. По сути же бисексуальность является проявлением сексуальных влечения человека к представителям обоих полов. Специалисты выделяют несколько разновидностей природной бисексуальности: это бисексуальность подросткового периода, псевдобисексуальность в условиях половой изоляции (вынужденной или избранной) и собственно бисексуальность.

3. 1 Разновидности природной бисексуальности 1. Пубертатная или подростковая бисексуальность - проявление гормональной революции, когда сексуальные позывы формируют привлекательность для сознания наиболее доступного объекта. Чаще всего пубертатная бисексуальность остаётся нереализованной на практике. 2. Псевдобисексуальность - не является собственно проявлением бисексуальности, потому как иначе в качестве специфического сексуального поведения следовало бы рассматривать также и все виды мастурбации. «Подлинная бисексуальность» - отражают не собственно параллельное гомосексуальное и гетеросексуальное поведение, а скорее внешнее, социально обозначенное двунаправленное поведение с психофизической склонностью к одному из полов. 3.

4. Наследование признаков сцепленных с полом. Когда гены, контролирующие формирование того или иного признака, локализованы в аутосомах, наследование осуществляется независимо от того, кто из родителей (мать или отец) является носителем изучаемого признака. Если же гены находятся в половых хромосомах, характер наследования признаков резко изменяется. Признаки, гены которых локализованы в половых хромосомах, называются признаками, сцепленными с полом. Это явление было открыто Т. Морганом у дрозофилы. Х- и У-хромосомы у человека имеют гомологичный (псевдоаутосомный) участок, где локализованы гены, наследование которых не отличается от наследования аутосомных генов.

4. Наследование признаков сцепленных с полом. Помимо гомологичных участков, X- и У-хромосомы имеют негомологичные участки. Негомологичный участок X-хромосомы содержит в своем составе ряд важных для жизнедеятельности организмов генов. Поскольку у гетерогаметного пола (ХУ) Xхромосома представлена в единственном числе, то признаки, определяемые генами негомологичного участка X-хромосомы, будут проявляться даже в том случае, если они рецессивны. Такое состояние генов называется гемизиготным. Примером такого рода Xсцепленных рецессивных признаков у человека являются гемофилия, мышечная дистрофия Дюшена, атрофия зрительного нерва, дальтонизм (цветовая слепота) и др.

4. 1 Сцепленное наследование Независимое комбинирование признаков (третий закон Менделя) осуществляется при условии, что гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах гомологичных хромосом. Следовательно, у каждого организма число генов, способных независимо комбинироваться в мейозе, ограничено числом хромосом. Это дало основание предположить, что в каждой хромосоме локализовано множество генов. Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе. Совместное наследование генов Т. Морган предложил назвать сцепленным наследованием. Число групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом, поскольку группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы, в которых локализованы одинаковые гены.

4. 1 Сцепленное наследование Способ наследования сцепленных генов отличается от наследования генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом. Если при независимом комбинировании дигетерозиготная особь образует четыре типа гамет (АВ, Ab, а. В и ab) в равных количествах, то при сцепленном наследовании (в отсутствие кроссинговера) такая же дигетерозигота образует только два типа гамет: (АВ и ab) тоже в равных количествах. кроме обычных (некроссоверных) гамет возникают и другие (кроссоверные) гаметы с новыми комбинациями генов — Ab и а. В, отличающимися от комбинаций генов в хромосомах родителя. Причиной возникновения таких гамет является обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер.

4. 2 Понятие о генетической карте Т. Морган и его сотрудники К. Бриджес, А. Г. Стертевант и Г. Дж. Меллер экспериментально показали, что знание явлений сцепления и кроссинговера позволяет не только установить группу сцепления генов, но и построить генетические карты хромосом, на которых указаны порядок расположения генов в хромосоме и относительные расстояния между ними. Генетической картой хромосом называют схему взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Такие карты составляются для каждой пары гомологичных хромосом. Возможность подобного картирования основана на постоянстве процента кроссинговера между определенными генами.

4. 2 Понятие о генетической карте Наличие генетической карты свидетельствует о высокой степени изученности того или иного вида организма и представляет большой научный интерес. Знание генетических карт позволяет планировать работы по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что теперь широко используется в селекционной практике. Например, создание штаммов микроорганизмов, способных синтезировать необходимые для фармакологии и сельского хозяйства белки, гормоны и другие сложные органические вещества, возможно только на основе методов генной инженерии, которые, в свою очередь, базируются на знании генетических карт соответствующих микроорганизмов.

5. Разновидность полового размножения. Размножение – это воспроизведение себе подобных, благодаря этому свойству, жизнь на нашей планете существует и продолжается. Это единственный путь к бессмертию, именно в размножении заключается смысл жизни любого организма. В основе размножения лежит способность клеток к делению. Известны два основных способа размножения: половое и бесполое.

5. Разновидность полового размножения Половое размножение - это развитие новой особи, как правило из зиготы, образующейся от слияния женских и мужских половых клеток, то есть в результате оплодотворения. Слияние гамет ведет к обогащению наследственного материала потомков и лучшей приспособленности к условиям среды. У раздельнополых животных в половых железах созревают мужские и женские половые клетки: яйцеклетки и сперматозоиды. После оплодотворения из зиготы развивается новый организм несущий признаки двух родительских особей.

5. Разновидность полового размножения Одной из разновидностей полового размножения является партеногенез. Партеногенез– это развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки, девственное размножение. Такой тип размножения распространен среди насекомых – тли, пчелы; ракообразных; простейших. , иногда встречается у некоторых рептилий. При этом появляются особи только одного пола. Гермафродитизм– явление, при котором одна и та же особь способна производить и мужские и женские клетки. Гермафродитизм считается самой примитивной формой полового размножения и свойственен многим примитивным организмам. Он представляет собой приспособление к сидячему, малоподвижному образу жизни. Одно из преимуществ гермафродитизма состоит в том, что он делает возможным самооплодотворение, что весьма существенно для некоторых внутренних паразитов, таких как солитер, ведущих одиночное существование.

5. Разновидность полового размножения Особенности полового и бесполого размножения: Бесполое размножение Половое размножение Принимает участие только одна особь Дочерние организмы являются точными копиями материнского организма. Принимают участие две особи Дочерний организм получает комбинацию генов, принадлежащих обоим родителям, и не является точной родительской копией Гаметы не образуются. Образуются гаметы с одинарным (гаплоидным) набором хромосом, ядра которых сливаются (оплодотворение) образуется зигота, которая несет хромосомы обоих родителей. Встречается у микроорганизмов, грибов, Характерно для большинства растений и некоторых беспозвоночных животных. Приводит к быстрому увеличению числа Происходит медленнее, но особи лучше особей. приспосабливаются к изменению условий среды.

6. Проблема регуляции пола у сельскохозяйственных животных Регулирование воспроизводства сельскохозяйственных животных Воспроизводство животных - это основной фактор, лимитирующий эффективность производства животноводческих продуктов на промышленной основе. Биотехнологические методы регулирования воспроизводства - связаны с манипулированием на уровне клеток или эмбрионов, с использованием физиологически активных соединений. К числу этих методов относят: стимуляцию и синхронизацию охоты, суперовуляцию, искусственное осеменение, трансплантацию эмбрионов, хранение гамет и эмбрионов, целенаправленное получение двоен, регулирование пола, раннюю диагностику беременности, управление процессом родов, создание химер и др.

6. 1 Биотехнологические методы: стимуляция и синхронизация Стимуляция и синхронизация охоты осуществляется с помощью прогестерона - женского полового гормона стероидной природы, регулирующего ход эстрального цикла, простагландинов, а также их комбинации. Этот прием позволяет вызывать появление охоты у групп племенных животных в один и тот же период времени. В США для синхронизации охоты у телок в молочном и мясном скотоводстве выпускается новый препарат под названием “Синхро-мейт-В”. Он представляет совокупность двух гормонов, один из которых имплантируется под кожу, а другой инъецируется внутримышечно.

6. 1 Биотехнологические методы: суперовуляция Потенциальные возможности воспроизводства самок млекопитающих огромны. В их яичниках содержатся десятки и сотни тысяч овоцитов. Однако в процессе онтогенеза лишь небольшая часть из них реализуется в виде потомков. Остальные овоциты подвергаются атрезии (обратному развитию) и воспроизводстве не участвуют. Суперовуляция - состояние, вызванное гормонами, когда в яичниках животных развивается и овулирует в несколько раз больше яйцеклеток. В зависимости от вида число овулирующих яйцеклеток может быть увеличено в 3 - 8 и даже в 50 раз. С помощью этого приема становится возможным получение большего количества эмбрионов от лучших по продуктивности коров.

6. 1 Биотехнологические методы: искусственное осеменение Искусственное осеменение животных - самый старый и хорошо отработанный биотехнологический метод разведения сельскохозяйственных животных. Его применение позволяет ограничить распространение половых инфекций, которые нередко служат причиной бесплодия животных, также позволяет эффективно использовать генетический потенциал лучших производителей. Экономический эффект от искусственного осеменения обусловлен снижением затрат на содержание большого поголовья производителей, возможностью быстрого размножения генотипа с хозяйственно - полезными признаками, улучшением генетического потенциала ремонтного стада.

6. 1 Биотехнологические методы: трансплантация эмбрионов Трансплантация эмбрионов в настоящее время является одной из наиболее актуальных проблем в области животноводства. С помощью пересадки эмбрионов можно резко увеличить выход числа потомков от высокопродуктивных коров. Трансплантация эмбрионов, или эмбриотехнология получение одного или нескольких эмбрионов из матки племенных животных (доноров) и пересадка в матку коров (рецепиентов), где эмбрионы развиваются до отела. Этот метод в сочетании с суперовуляцией у доноров позволяет получить большое потомство от высокопродуктивных животных. Трансплантацию производят с помощью специального зонда или пистолета для осеменения. Эмбрионы помещаются в рога матки.

6. 1 Биотехнологические методы: регулирование пола В практике разведения животных очень важно научиться управлять образованием в потомстве мужских и женских особей. Метод разделения эмбрионов по полу основан на определении белков, специфичных для самцов. Этом метод широко применяется в животноводческой практике многих стран. В Канаде уже с 1975 года рождаются телята, разделенные по полу на стадии эмбрионов. В перспективе для целенаправленного получения особей мужского или женского пола может быть применен метод микрохирургической замены Х и У хромосом. Такие манипуляции уже проводились на растительных клетках и яйцеклетках земноводных.