Тема ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ ЧЕЛОВЕКА План 1 Предмет изучения

Тема: ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ ЧЕЛОВЕКА План 1. Предмет изучения и основные понятия генетики. 2. Общие свойства генетического материала человека и уровни его организации: 1) генный уровень; 2) хромосомный уровень; 3) геномный уровень.

Рекомендованная литература 1. Биология. В 2 кн. : учебн. для медиц. спец. вузов/В. Н. Ярыгин, В. И. Васильева, И. Н. Волков, В. В. Синельщикова/ под ред. В. Н. Ярыгина. – М. : Высш. школа, 1999. – 448 с. , 352 с. 2. Гуттман Б. , Гриффитс Э. , Сузуки Д. , Куллис Т. Генетика. – М. : ФАИР-ПРЕСС, 2004. – 448 с. 3. Слюсарев А. А. , Жукова С. В. Биология. – К. : Вища школа. Головное изд-во, 1987. – 415 с. 4. Шевченко В. А. , Топорнина Н. А. , Стволинская Н. С. Генетика человека. Учебник. – 2002. - 240 с. 5. Приходченко Н. Н, Шкурат Т. П. Основы генетики человека. Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. 6. Школьная программа в таблицах и формулах. Большой универсальный справочник. – М. : Изд дом «Дрофа» , 1998. – 640 с. 7. Штерн К. Основы генетики человека. М. : Мир, 1987. 8. Генетика людини / Генетика человека / Помогайбо В. , Петрушов А. - Издательство: Академія, 2011. 9. Генетика: підручник/ А. В. Сиволоб, С. Р. Рушковський, С. С. Кир’яченко та ін. ; за ред. А. В. Сиволоба. – К. : Видавничо-поліграфічний центр"Київський університет", 2008. – 320 с. 10. Удивительная генетика / Вадим Левитин. - Издательство: Энас-книга, 2013. – 256 с. 11. Генетика. Учебник для ВУЗов / под ред. Иванова В. И. . , 2006. : 642 с 12. Тарантул В. З. Геном человека. Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. — Языки славянской культуры, 2003. — 396 с. 13. Курчанов Николай Анатольевич. Генетика человека с основами общей генетики. Учебное пособие. - ООО «Издательство “Спец. Лит”» , 2005. – 132 с.

Основные термины для записи в словарь • • генетика наследственность наследование изменчивость признак генотип фенотип • • • ген аллель хромосома кариотип геном репликация репарация транскрипция трансляция

Генетика – это сердцевина биологической науки. Лишь в рамках генетики разнообразие жизненных форм и процессов может быть осмыслено как единое целое. Ф. Айала, американский генетик, автор учебника «Современная генетика»

Генетика как наука Объект История развития Предмет Задачи Теоретические основы (законы, закономерности) Методы Отрасли

Основные термины для записи в словарь • • генетика наследственность наследование изменчивость признак генотип фенотип ген • аллель • • хромосома кариотип геном репликация репарация транскрипция трансляция

2. Уровни организации генетического материала человека

Современные представления генетики позволяют выделить три уровня организации генетического аппарата человека: 1) генный 2) хромосомный 3) геномный На каждом из них проявляются основные свойства материала наследственности и изменчивости и определенные закономерности его передачи и функционирования

1. ГЕННЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Ген – структурная единица наследственной информации, контролирующая развитие определенного признака или свойств. Один ген кодирует синтез строго определенного белка (или одну полипептидную цепь).

Свойства гена (не путать со свойствами генетического кода!) • Дискретность (имеет определенный размер и позицию - локус) • Лабильность (может мутировать) • Стабильность (однако мутирует редко) • Специфичность (1 ген кодирует 1 конкретный белок) • Аллельность (в результате мутаций возникают варианты - аллели) • Плейотропность (множественность действия) • Дозированность действия (чем больше «экземпляров» гена в генотипе (доз), тем сильнее эффект гена)

Материальным субстратом наследственности и изменчивости, т. е. гена, являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т. е. отличаются большой молекулярной массой. Мономерами НК являются нуклеотиды

Схема строения нуклеотида 900 igr. net

Схема полинуклеотидной цепи (стрелкой указано направление роста цепи)

молекулы ДНК. Схема строения Стрелками обозначена антипараллельность цепей 900 igr. net

Две полинуклеотидные цепочки объединяются в единую молекулу ДНК при помощи водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей. Соединены азотистые основания по принципу комплементарности: это одна из фундаментальных закономерностей природы, определяющая механизм передачи наследственной информации.

Генетический код

• Информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов в ДНК. • Кроме белков, нуклеотидная последовательность ДНК кодирует информацию о рибосомальных РНК и транспортных РНК.

Код ДНК или генетический код Итак, последовательность нуклеотидов каким-то образом кодирует последовательность аминокислот. Все многообразие белков (около 30 000 видов) образовано из 20 различных аминокислот, которые кодируют всего 4 вида азотистых основания в составе нуклеотидов: 30 000 белков 20 аминокислот4 азотистых основания : Ø А - аденин Ø Г – гуанин; Ø Т – тимин (У – урацил) Ø Ц - цитозин

Перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот синтезируемого белка осуществляется с помощью генетического кода. Основные характеристики генетического кода: Код – триплетный – состоит из 3 х азотистых оснований. Код – вырожденный – т. е. включение в белковую молекулу одной аминокислоты контролируется несколькими триплетами оснований. Код – непрерывный и неперекрывающийся – то есть: - чтение кода начинается с определенного пункта и продолжается только в одном направлении; - последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков; - соседние триплеты не перекрывают друга, т. е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания Специфичность кода. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Полная универсальность кода – он един для всех типов организмов – что подтверждает его унаследование от далеких предков.

Непрерывность и неперекрываемость генетического кода при считывании наследственной информации Цифрами обозначены нуклеотиды

900 igr. net

Обобщенная схема процесса экспрессии (переноса) генетической информации в эукариотической клетке: ДНК → РНК → белок 900 igr. net

Три «Р» - репликация, репарация, рекомбинация В ходе репликации и рекомбинации постоянно возникают различные изменения ДНК и хромосом, которые распознаются и исправляются системами репарации. Нарушения в ходе этих «трех р» могут приводить к мутациям Репликация ДНК – процесс, при котором информация, закодированная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК. Репарация - осуществление непрерывного «осмотра» цепи ДНК ферментами репарации и удаления из нее поврежденных участков, что способствует поддержанию стабильности наследственного материала. Рекомбинация - новые сочетания генов и хромосом, которые не изменяют общей структуры генома как видовой характеристики.

2. ХРОМОСОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

• Хромосомы – структуры из нуклеопротеидов в ядре эукариотической клетки - это «нити (нуклеосомы), на которых размещены бусинки-гены» . Генов – гораздо больше чем хромосом (см. таблицу представленности хромосом человека). Т. е. каждая хромосома содержит множество генов. • Термин хромосома был предложен в 1888 г. немецким морфологом В. Вальдейером, который применил его для обозначения внутриядерных структур эукариотической клетки, хорошо окрашивающихся основными красителями (от греч. хрома — цвет, краска, и сома — тело). • Детальная разработка хромосомной теории наследственности была осуществлена в начале XX в. школой американских генетиков, возглавляемой Т. Морганом. 900 igr. net

С 1911 года Томас Морган и его соратники начали публиковать серию работ, в которых экспериментально, на основе многочисленных опытов с дрозофилами, и была сформулирована в основных чертах хромосомная теория наследственности, подтвердившая и подкрепившая законы, открытые Менделем.

Основные положения хромосомной теории наследственности 1. Хромосомы состоят из линейной (не замкнутой в кольцо) макромолекулы ДНК и специализированных белков – гистонов. 2. Каждая хромосома уникальна по набору заключенных в ней генов. 3. ЗАКОН МОРГАНА: Все гены, расположенные в одной хромосоме, связаны между собой, передаются по наследству совместно и составляют одну группу сцепления. 4. Число групп сцепления в наследственном материале организмов данного вида определяется количеством хромосом в гаплоидном наборе их половых клеток. 5. Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами. 6. При оплодотворении образуется диплоидный набор, в котором каждая группа сцепления представлена двумя вариантами — отцовской и материнской хромосомами, несущими оригинальные наборы аллелей соответствующего комплекса генов.

Хромосомы состоят, в основном, из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс— хроматин. На долю белков приходится около 65% массы хромосом морфология и формы хромосом I — телоцентрическая, II — акроцентрическая, III—субметацентрическая, IV— метацентрическая; 1 — центромера, 2 — спутник, 3 — короткое плечо, 4 — длинное плечо, 5 — хроматиды

Расположение локусов в хромосомах человека при их дифференциальном окрашивании

Одинаковые по внешнему виду хромосомы в клетках раздельнополых организмов называют аутосомами. Пару различающихся хромосом, неодинаковых у мужчин и женщин называют половыми хромосомами Хромосомные (генетические) карты – схема относительного положения генов в определенной хромосоме. Гомологичные хромосомы - хромосомы в диплоидной клетке - называют парные хромосомы, каждая из которых досталась от одного из родителей.

У человека 23 пары гомологичных хромосом Последняя пара (XX или XY – это половые хромосомы (гетерохромосомы) 23 Менее 1% всего наследственного материала расположено не в хромосомах, а во внехромосомной - кольцевой ДНК (в митохондриях яйцеклеток)

3. ГЕНОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Геном - это вся совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов. Геном видоспецифичен, так как представляет собой тот необходимый набор генов, который обеспечивает формирование видовых характеристик организмов в ходе их нормального онтогенеза. «Традиційно геном людини представляють як сукупність послідовностей ДНК 22 аутосом і двох статевих хромосом. X та. Y. Незважа-ючи на великий розмір геному(приблизно 3, 2 млрд пар основ), верхня оцінка кількості білкових генів у геномі людини не перевищує 25 тис. » ( Генотип – объединенные геномы двух родительских клеток при половом размножении в процессе оплодотворения. В генотипе содержится программа развития конкретной особи. Кариотип — диплоидный набор хромосом, свойственный соматическим клеткам организмов данного вида, являющийся видоспецифическим признаком и характеризующийся определенным числом, строением и генетическим составом хромосом.

У человека и других организмов можно выделить два типа клеток: половые (яйцеклетка и сперматозоид) и соматические (т. е. неполовые – эпителиальные, мышечные и т. д. ). Половые клетки содержат гаплоидный набор хромосом (n). У человека в яйцеклетке и сперматозоиде 23 хромосомы (n=23). Соматические клетки содержат диплоидный (двойной) набор хромосом (2 n=46). Система всех генов организма в гаплоидном наборе хромосом называется геномом. В настоящее время сюда прибавляют гены ДНК митохондрий яйцеклеток.

. Кариотип человека Мейоз и последующее оплодотворение обеспечивают сохранение у нового поколения организмов диплоидного кариотипа, присущего всем особям данного вида. Кариотип мужчины 23 23 Кариотип женщины Кариотип человека представлен 23 парами хромосом (всего – 46 хромосом: из них 44 – аутосомы, 2 – гетерохромосомы. У человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток — около 174 см. Его геном содержит 3· 109 полинуклеотидов и включает по последним данным 30 — 40 тыс. генов

Количество хромосом в соматических клетках кариотипы некоторых видов живых организмов

Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20— 25 тыс. активных генов, что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс. ) — то есть только 1, 5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональные РНК. Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК Проект розшифрування геному людини(Human Genome Project) був одним із найамбітніших наукових проектів ХХ століття. Він тривав 13 років і закінчився у2003 р. Проект мав на меті побудувати достатньо точну генетичну карту(з кроком 2ñ 5 с. М), отримати послідовність3 млрд пар основ ДНК, ідентифікувати генні послідовності, визначити геномні варіації. На сегодняшний день в мире существуют полные геномы только 2 -х жителей планеты. Это Джим Уотсон и Крэйг Вентер. Они занимались геномным проектом и решили расшифровать именно свои тесты ДНК.

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 1. ПРЕДСТАВЛЕН ПОРЯДКА 3, 2 МЛН. ПАР НУКЛЕОТИДОВ (7, 1 х109 пг ДНК); 2. КОДИРУЕТ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПОЛИПЕПТИДОВ – 1, 1 -1, 4%; СООТВЕТСТВУЕТ порядка 31 000 ГЕНОВ, из которых ИДЕНТИФИЦИРОВАНО примерно 20 тыс. ГЕНОВ, ВКЛЮЧАЯ 740 ТРАНСКРИБИРУЕМЫХ (РНК), но не ТРАНСЛИРУЕМЫХ ГЕНОВ; 3. ВСЕГО ТРАНСКРИБИРУЕТСЯ в РНК – 28% ДНК; 4. АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ СПЛАЙСИНГ – 2, 4% ГЕНОВ (из СЕКВЕНИРОВАННЫХ 10 742), КОДИРУЮЩИХ ПОЛИПЕПТИДЫ; таких ГЕНОВ может быть не менее 60%; 5. ОДНОКОПИЙНЫЕ (менее 10 КОПИЙ) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ (без КОДИРУЮЩИХ ПОЛИПЕПТИДЫ) – 73%; 6. 25% ДНК – ПОВТОРЯЮЩИЕСЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ (СОТНИ, ТЫСЯЧИ, МЛН. ПОВТОРОВ); ДИСПЕРГИРОВАННЫЕ (РАЗБРОСАНЫ по ГЕНОМУ) и САТЕЛЛИТНЫЕ (10%, ТАНДЕМНЫЕ ПОВТОРЫ); среди ДИСПЕРГИРОВАННЫХ – ДЛИННЫЕ (LINE, до 7 000 п. н. ) и КОРОТКИЕ (SINE, до 90 -500 п. н. ); среди SINE – Alu ПОВТОРЫ (300 -500 тыс. на ГЕНОМ, СПОСОБНЫ к САМОКОПИРОВАНИЮ и ВСТРАИВАНИЮ в любой ЧАСТИ ГЕНОМА с НАРУШЕНИЕМ ФУНКЦИИ ГЕНОВ – ЭНДОГЕННЫЙ МУТАГЕН); в КАТЕГОРИИ САТЕЛЛИТНОЙ ДНК – ПОЛИМОРФНЫЕ по ЧИСЛУ ПОВТОРОВ МИНИ (20 -70 п. н. ) и МИКРОСАТЕЛЛИТЫ (2 -4 п. н. ): ИНСТРУМЕНТ КАРТИРОВАНИЯ ГЕНОВ, МАРКЕРЫ ПОЛОЖЕНИЯ ГЕНОВ НАСЛЕДСТВЕННЫХ и МУЛЬТИФАКТОРИАЛЬНЫХ БОЛЕЗНЕЙ; ОДНОНУКЛЕОТИДНЫЙ ПОЛИМОРФИЗМ (1, 42 МЛН. на ГЕНОМ, ИНСТРУМЕНТ КАРТИРОВАНИЯ, ВЫЯВЛЕНИЕ АЛЛЕЛЕЙ МУЛЬТИФАКТОРИАЛЬНЫХ БОЛЕЗНЕЙ);

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА: ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КАТЕГОРИИ ИДЕНТИФИЦИРОВАННЫХ ГЕНОВ (СООТНОШЕНИЕ в %%) 1. ГЕНЫ РЕПЛИКАЦИИ, ЭКСПРЕССИИ и СОХРАНЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ГЕНОМА – 23, 2%; 2. ГЕНЫ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ (КЛЕТОЧНОГО ОБЩЕНИЯ, ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ СИГНАЛЛИНГОВ) – 21, 1%; 3. ГЕНЫ ОБЩЕКЛЕТОЧНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ – 17, 5%; 4. ГЕНЫ других ФОРМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ (КОДИРУЮТ, среди прочих, БЕЛКИ ФОЛДИНГА, ТРАНСПОРТНЫЕ, СТРУКТУРНЫЕ, ИММУНОПРОТЕИНЫ) – 38, 2%; 5. В КАТАЛОГ не ВОШЛО примерно 13 000 ГЕНОВ с НЕИЗВЕСТНОЙ ФУНКЦИЕЙ; 6. В 13 ГЕННЫХ СЕМЕЙСТВАХ (ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ, МЕТАБОЛИЗМ, РЕПЛИКАЦИЯ-МОДИФИКАЦИЯ ДНК, ТРАНСКРИПЦИЯ-ТРАНСЛЯЦИЯ, ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ СИГНАЛЛИНГ, МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ФОЛДИНГ-ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛКОВ, ТРАНСПОРТНЫЕ-СТРУКТУРНЫЕ- ЦИТОСКЕЛЕТНЫЕЗАЩИТНЫЕ и ИММУННЫЕ, РАЗНОСТОРОННЕФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЕЛКИ) , кроме ВТОРОГО, ЧИСЛО ГЕНОВ у ЧЕЛОВЕКА БОЛЬШЕ, чем у ДРОЖЖЕЙ, ДРОЗОФИЛЫ, КРУГЛОГО ЧЕРВЯ С. еlegans и РАСТЕНИЯ Arabidopsis thaliana;