Лекция: Введение в генетику ПЛАН. 1. Цели и

Лекция: Введение в генетику ПЛАН. 1. Цели и задачи и объекты генетики, краткая история. 2. Закономерности наследования 3. Сцепленное наследование. Основные положения хромосомной теории наследственности. 4. ДНК, строение и функции. Генетический код. Свойства генетического 5. Доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации. 6. Уровни организации наследственного материала. Ген. Классификация генов. Первичные функции гена и свойства гена. Теория гена.

Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов Генетика человека изучает наследственность и изменчивость человека. Медицинская генетика - разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики наследственной патологии человека. Клиническая генетика – это прикладной раздел медицинской генетики, т. е. применение достижений медицинской генетики для решения клинических проблем у пациентов или в их семьях. Задачи генетики 1. Определение полной нуклеотидной последовательности ДНК генома человека и других организмов, локализации генов, и создание их банка. 2. Ранняя диагностика наследственных патологий путем совершенствования методов пренатальной и экспрессдиагностики. 3. Разработка методов генной терапии наследственных заболеваний на основе генной инженерии. 5. Выявление генетики опасных факторов внешней среды и разработка методов их нейтрализации.

Методы и объекты генетики Гибридологический. Клинико-генеалогический. Близнецовый Популяционно-генетический Генетики соматических клеток Цитогенетический Биохимический и др. Молекулярно-генетические Объекты: Живые организмы: от бактерий до человека, и вирусы.

Первые идеи о механизмах наследственности (5 век до н. э. Гиппократ – теория прямого наследования признаков Аристотель – теория непрямого наследования признаков.

Больной с гипохондроплазией, скульптурном изображении (4500 лет назад) Больной с ахондроплазией (художник Веласкес 16 век)

Подходы к современной генетике – 18 -19 век:

Уильям Бетсон (1861 -1926) – ввел термин «генетика» (от лат. geneo порождаю, genos – род, рождение) Вильгельм Л. Иогансен (1857 -1927) - Предложил термины «ген» , «генотип» . - «фенотип»

С 1910 г. Начинаются исследования группы Т. Моргана с учениками Стертевант Альфред. Разработал метод картирования хромосом (1891 -1970)

В 1941 Дж. Бидл, Э. Тейтем (1909 -1975)-сделали Заключение «один ген – один белок» .

В 1953 г. расшифрована структура ДНК Дж. Уотсоном, Ф. Криком

Золотой век генетики в СССР начался в 1917 г. Н. И. Вавилов открыл закон гомологических рядов Тнаследственной изменчивости, центры происхождения культурных растений. В 1911 -1912 гг. Навашин СГ. Описал типы митотических хромосом растений Н. К. Кольцов (19281935) высказал гипотезу о хромосоме как молекулы в которой гены представлеными отдельными радикалами, о матричном принципе продукции гена.

Н. П. Дубинин (1907 – 1998), Серебровский А. С. - впервые продемонстрировали сложную природу организации гена. Четвериков С. С. (18801956) – заложил основы экспериментальной генетики популяций. Прокофьева-Бельговская А. А. (1903 -1984) изучила организацию эукариотических хромосом.

С 1929 по 1957 г. В нашей стране в области генетики шла охота на ведьм, а за рубежом расшифровывали структуру ДНК и генетического кода!!! В 1957 г издан первый учебник генетики Лобашева М. Е. и началась подготовка нового поколения генетиков.

Историю генетики делят на 3 этапа: 1. Этап классической генетики (1900 -1930 гг). -создание тории гена, хромосомной теории наследственности. -учение о фенотипе и генотипе, -взаимодействие генов. 2. Этап неоклассицизма (с 1930 по 1953). - Открыт экспериментальный мутагенез; Ген-сложная система; Создана биохимическая генетика; ДНК – основа для записи генетической информации. - 3. Этап синтетической или молекулярной генетики с 1953 г. - - раскрыта структура и значимость ДНК; -сформулирован принцип передачи генетической информации -открыт оперонный принцип организации генов и регуляции активности генов; предложены методы генной инженерии; - расшифровывается геном человека и др. -

Закономерности наследования Гибридологический метод – это анализ характера наследования признаков с помощью системы скрещиваний, и получение гибридов и анализе их потомков в ряду поколений. 1. Родительские особи должны отличаться одним или несколькими признаками, должны быть чистыми линиями. 2. Должен осуществляться анализ потомков от каждой родительской пары в каждом поколении. 3. Проводится точный количественный учет наследования каждого альтернативного признака в ряду последовательных поколений. Грегор Иоганн Мендель (1822 -1884)

Объект исследования-садовый горох – Pisum sativum – самоопыляющееся растения, имеет большой набор признаков, дает многочисленное потомство. Он выбрал 7 признаков: 1. Форма спелых семян (круглая/морщинистая; 2. Цвет семян (желтый/зеленый); 3. Окраска цветка(белый/фиолет); 4. Форма спелых стручков ( простая дутая/сильно сдавленная); 5. Цвет неспелых стручков (светло, темно-зеленый/ярко-желтый); 6. Расположение цветков ( аксиальное/терминальное); 7. Длина стебля (высокий/низкий).

1. 2. 3. 4. В 1865 г. Г. Мендель в работе «Опыты над растительными гибридами» опубликовал результаты своих исследований: Свойства или признаки передаются от родительских растений гороха ряду последующих поколений в виде неизменных единиц, или «факторов» , в установленных пропорциях. Каждое растение содержит два фактора, обуславливающих специфичность признака. Один фактор содержится в яйцеклетке, другой – в сперме. Поскольку каждое растение должно иметь два фактора, родительской паре факторов необходимо разделиться во время формирования половых клеток, чтобы каждая половая клетка содержала одну форму фактора. Единственная комбинация факторов из четырех возможных, достающаяся каждому потомку от родителей, определяется случайностью.

Моногибридное скрещивание включает анализ наследования признаков, определяемых лишь одной парой аллельных генов. Если родители отличаются двумя парами генов, то это дигибридное скрещивание, и т. д. Аллельные гены расположены в одинаковых локусах гомологичных хромосом. Отвечают за разновидность одного признака, обозначаются одной буквой. Аллель – та или иная разновидность (альтернативная форма) гена. Гомозиготность – в гомологичных хромосомах присутствуют два одинаковых аллеля одного гена: АА или аа. Гетерозиготность – в гомологичных хромосомах присутствуют два разных аллеля одного гена: Аа

1 закон- Закон (правило) единообразия гибридов первого поколения: При скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, наблюдается единообразие гибридов первого поколения по фенотипу и генотипу. 2 закон -Закон расщепления: При скрещивании гибридов первого поколения, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, наблюдается расщепление по фенотипу: 3: 1, по генотипу – 1: 2: 1.

3 закон - Закон независимого комбинирования признаков: При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по двум и более парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое наследование и комбинирование признаков.

Анализирующее скрещивание – это скрещиание с гомозиготной рецессивной особью. Его проводят для установления генотипа изучаемой особи (гомо- или гетерозиготности)

Правило чистоты гамет: находящиеся в каждом организме пары альтернативных признаков не смешиваются, каждая гамета несет только по одному задатку каждого признака и свободна от других задатков этого признака (У. Бэйтсон) Ульям Бэйтсон (1861 -1926)

Условия выполнения законов Менделя: 1. Гены разных аллельных пар находятся в разных хромосомах. 2. Между генами не должно быть сцепления и взаимодействия. 3. Равная вероятность образования гамет и зигот разного типа и равная вероятность выживания организмов с разными генотипами (не должно быть летальных генов) 4. Должна быть 100% пенетрантность гена, отсутствовать плейотропное действие генов и мутации. Достижения Г. Менделя: 1. Гибридологический метод. 2. Законы наследования 3. Разработал анализирующее, прямое и обратное, возвратное скрещивания. 4. Разработал принципы записи генетических скрещиваний. 5. Разработал статистические закономерности скрещивания

Гипотеза В. Саттона и Т. Бовери о том, что гены или факторы Менделя располагаются в хромосомах.

Сцепленное наследование 1911 -1912 Т. Морган и сотрудники описали явление сцепления генов – совместная передача группы генов из поколения в поколение и выявили законы сцепленного наследования, создали хромосомную теорию наследственности, выявили более 40 мутаций у мух. Томас Хант Морган (1866 -1945

Особенности Drosophila melanogaster как объекта генетики: 1. Короткий цикл развития, быстрое размножение, плодовитое потомство 2. 8 хромосом, 4 группы сцепления. 3. Природные популяции насыщены мутациями 4. Удобны для разведения в лабораторных условиях.

Первая мутация, связанная с определенной хромосомой.

Для определения сцепления генов скрещивали нормальных мух с мутантными: 1 скрещивание – полное сцепление (серые с норм. крыльями-самцы и черные с рудимент. крыльями самки); 2 скрещивание –нарушение полного сцепления (серые с норм. крыльями самки и черные с рудиментарными крыльями самцы)

Механизм кроссинговера Рекомбинация - процесс обмена генетическим материалом между гомологичными хромосомами

Хромосомная теория наследственности (Т. Морган и соавт. , 1911 г. ) 1. 2. 3. 4. Гены расположены в хромосомах в линейном порядке в определенных локусах. Аллельные гены занимают одинаковые локусы гомологичных хромосом. Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются преимущественно вместе; число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом. Между гомологичными хромосомами возможен обмен участками – кроссинговер, который нарушает сцепление генов. Процент кроссинговера пропорционален расстоянию между генами. 1 морганида – единица расстояния, равная 1% кроссинговера.

Построение генетической карты для генов A, B, C, частоты рекомбинаций между которыми составляют A – B = 6 %, B – C = 14 %, A – C = 8 %

Наследование - процесс передачи генетической информации в ряду поколений Менделевское наследование - наследование, при котором сегрегация генов происходит в соответствии с положениями классической генетики (законы Менделя и хромосомная теория наследственности). Менделирующие признаки – признаки, наследуемые по законам Г. Менделя, т. е. моногенно и по типу доминирования. У человека таких признаков – 2300. Наследование признаков может быть: Моногенным – один признак контролируется одной парой аллелей у организма. Полигенным – за один признак у организма отвечают несколько пар неаллельных генов. Типы моногенного наследования: аутосомно-доминантное аутосомно-рецессивное Х-сцепленное Y-сцепленное

В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон установили, что молекула ДНК состоит из двух правозакрученных комплиментарных (лат. complimentum дополнение) полинуклеотидных цепей – модель двойной спирали. Две цепи молекулы ДНК образуют подобие «веревочной лестницы» , в которой роль «веревок» играют сахарно-фосфатные части нуклеотидов, а роль «перекладин» – основания нуклеотидов.

Структура молекулы ДНК Азотистое основание: A, T, G, C, (U) Углевод: Рибоза (РНК), дезоксирибоза (ДНК) Нуклеозид: А. О. + остаток сахара Нуклеотид: Нуклеозид + ост. фосфорной к-ты А. О. Нуклеозид Нуклеотид Аденин (А) Аденозин Адениловая к-та (AMP, d. AMP) Гуанин (G) Гуанозин Гуаниловая к-та (GMP, d. GMP) Цитозин (С) Цитидин Цитидилоая к-та ( CMP, d. CMP) Тимин (Т) Тимидин Тимидиловая к-та ( TMP, d. TMP) Урацил (U) Уридин Уридиловая к-та (UMP)

В 1961 году Ф. Крик с сотрудниками расшифровали генетический код – это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Свойства генетического кода: 1. Триплетность –сочетание трех нуклеотидов (триплет, или кодон) определяет одну аминокислоту. 2. Однозначность – определённый кодон соответствует только одной аминокислоте 3. Вырожденность (избыточность) – одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. 4. Универсальность – генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности: от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии). Однако из этого свойства есть ряд исключений 5. Непрерывность – между триплетами нет знаков препинания, т. е. информация считывается непрерывно. 6. Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов. (Не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки). (на этом основаны методы генной инженерии). Однако из этого свойства есть ряд исключений.

Доказательства роли ДНК в передаче наследственной информации Трансформация Трансдукция Конъюгация

Трансдукция – перенос ДНК из одной клетки (донор) в другую (реципиент) с помощью бактериофагов. Этот способ обмена открыт в 1952 г. Н. Зиндером и Джю Ледербергом Salmonella typhimurium. В одну половину трубки-штамм 22 А, в другую – штамм 2 А. Они не могли переходить через фильтр. Штамм 22 А несет мутацию, блокирующую синтез триптофана (Т¯), штамм 2 А – блокирует синтез гистидина (Н¯). Фильтрующим агентом, переносящим ген Т+ от штамма 2 А к штамму 22 А оказался бактериофаг.

Трансдукция

Конъюгация – однонаправленная передача генетической информации в результате непосредственного контакт между донорной и реципиентной клеткой.

В скрещиваниях F ¯и F+, установлено, что фактор фертильности (F-фактор) передается с высокой частотой независимо от остальных генов. Клетки Hfr теряют способность к автономной передаче F-фактора, который занимает определенный локус в хромосоме бактерии. В клетках F+ он веден себя как самостоятельная частица. В клетках F ¯ отсутствует. В клетках Hfr – как локус хромосомы. F-фактор (гены, плазмида) – образование пилей, способность к переносу в другие бактерии.

Уровни организации наследственного материала: 1. ГЕННЫЙ 2. ХРОМОСОМНЫЙ 3. ГЕНОМНЫЙ

ГЕННЫЙ УРОВЕНЬ Ген - единица наследственности и изменчивости. Ген – это участок молекулы ДНК, который несет информацию о синтезе полипептида или нуклеиновой кислоты. Гены: структурные и функциональные Гены: регуляторы, модуляторы, ингибиторы, интенсификаторы, модификаторы и др.

Структура гена

Первичные функции гена: Хранение и передача генетической информации: Свойства гена: 1. Специфичность. 2. Целостность. 3. Дискретность. 4. Стабильность. 5. Лабильность. 6. Плейотропность. 7. Экспрессивность. 8. Пенетрантность

Генотип у всех соматических клеток одинаковый, но в разных клетках работают разные гены – область их действия называют полем действия генов. Гены функционируют непостоянно. Время работы гена – это период его функционирования. Условно гены делят на 3 группы: 1. Гены, функционирующие во всех клетках (гены, кодирующие ферменты энергетического обмена). 2. Гены, функционирующие в одной ткани(ген, кодирующий синтез миозина). 3. Гены, специфичные для одного типа клеток (ген, кодирующий синтез гемоглобина). Главный механизм дифференцировки клеток – блокировка и деблокировка транскриптонов на определенных этапах развития.

Современное состояние теории гена Ген занимает определенный локус Ген(цистрон) – часть молекулы ДНК – функциональная единица наследственной информации. Число нуклеотидов в гене неодинаково. Внутри гена могут происходить рекомбинации (реконы) и мутирование (мутоны). Существуют структурные и функциональные гены. Структурные гены кодируют синтез белков, но ген не принимает непосредственного участия в синтезе белка. ДНК-матрица для молекул и РНК. Функциональные гены контролируют и направляют деятельность структурных генов. Расположение триплетов из нуклеотидов в структурных генах колинеарно аминокислотам в полипептидной цепи, кодируемой данным геном. Молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к репарации, поэтому не всякие повреждения гена ведут к мутациям. Генотип будучи дискретным (состоящим из отдельных генов), функционируют как единое целое. На функцию генов оказывают влияние факторы как внутренней, так и внешней среды.

Менделевская наследственность и генетика человека Теория гена подтверждает. Что наследственность человека подчиняется единым законам записи генетической информации в генах, явлениям мутаций и законам менделевского наследования. Многочисленные дефекты и наследственные болезни человека объясняются менделевскими законами наследования, являясь доминантными или рецессивными аллелями, имеют промежуточное или кодоминантное наследование. Хорошо известна мутация альбинизма, при которой человек почти полностью лишается пигмента в коже, волосах и глазах.

Альбиносы – гомозиготны по рецессивному аллелю –аа; АА и Аа – нормальная пигментация. У нормальных людей (не альбиносов) – А А, Аа – темные глаза(коричневые, черные); аа - голубые

Спасибо за внимание!