Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

момент времени, в норме стабильно, например, клетки печени не могут стать эпителиальными клетками желудочно-кишечного тракта.

Дифференцировка – это поэтапный процесс, который в общем случае у высших организмов предполагает:

• первопричиная дифференцировка – химическая разнородность цитоплазмы яйцеклетки;

• усиление дифференцировки яйцеклетки после оплодотворения –

сегрегация;

• переход химической разнородности цитоплазмы яйцеклетки в

которых в бластомерах синтезируются разные типо- и тканеспецифические

Рост – увеличение массы и разм ра т ла за чет возрастания числа и массы его клеток и органов. Причина роста клеток: накопление и преобразование в них бе ков-ф рм нтов, которые катализируют образование различных соединений.

Рост и дифференцир вка протекают неравномерно, что связывают с тремя ур внями реа изации генетической программы индивидуального развития:

1.Не дн временным действием генов в пределах одной хромосомы.

2.Разным характер м действия генов в период активного роста и в период дифференцировки. В первом случае работают гены, стимулирующие рост клетки и активное деление, во втором – гены, детерминирующие синтез специфических белков, которые определяют появление зачатка конкретной ткани или органа.

3.Разным моментом и степенью проявления признаков у систематически родственных форм.

Зигота и ранние эмбриональные клетки содержат полный набор генов и всю генетическую информацию, характерную данному виду, породе, особи, то есть имеют все возможности развития, формирования органов и признаков взрослой особи. Это свойство получило название тотипотентность. Если говорить о растениях, любая соматическая клетка – это своего рода основа для нового организма. Также известно о тотипотентности бластомеров низших животных и некоторых высших позвоночных.

Генетика с основами биометрии

Онтогенез любого организма подчиняется биогенетическому закону Мюллера-Геккеля: сходство эмбриональных черт развития отражает степень родства разных форм в силу общности их происхождения. Дробление зиготы у всех многоклеточных организмов проходит начальные стадии эмбриогенеза – бластулу и гаструлу. Позвоночные проходят стадию, на которой у наземных форм с легочным дыханием образуются жаберные дуги, как у рыб. Естественно это определяется генетическими факторами.

Советским биологом А.А. Заварзиным была открыта основная эволюционная тенденция: по мере усложнения организации носителей клетки все больше и больше становятся частями целого, теряют самостоятельность и в своих проявлениях целиком зависят от надклеточных регуляционных систем (внутри- и межтканевых отношений, гуморальных и нервных факторов). То есть тканевые клетки животных эволюционируют как субъединицы целостного организма. Этот принцип предполагает отсутствие постоянного превращения одних клеток в другие, которое, кроме всего прочего, нарушило бы гомеостатические реакции организма, привело бы к резкому снижению устойчивости его к внешним факторам. Взаимодействие клеток, тканей и

дифференцированыÏолесÃÓв разной степени. Например, в эпителии на вершине ворсинки находятся клетки, достигшие конечной стадии дифференцировки,

влияниям. Фактически все главные функции дифференцированных клеток

находятся под контрол м организма (и ключение – злокачественные

опухоли).

Конечная дифференцировка часто объясняется утратой способности клеток к размножению – про иф рации. Как правило, в норме активная пролиферация и функци нир вание взаимоисключают друг друга. Это может служить причин й т го, что, например, последнее деление нервных клеток у млекопитающих пр исх дит в эмбриональный и ранний постэмбриональный периоды, а клет к нервных ганглиев дрозофилы – на стадии личинки. В

процессе развития взр сл го организма происходит формирование

комплексов, включающих множество разносящихся функционально нервных клеток – от чувствительного до двигательного нейрона. Постоянное деление нервных клеток во взрослом организме привело бы к нарушению целостности этих комплексов и, соответственно, системы нервной регуляции.

В то же время следует отметить, что в пролиферирующих тканях клетки

тогда как клетки в криптах (камбиальных отделах кишечного эпителия) по морфологии сильно отличаются от них. Однако из недифференцированных клеток крипт выходят сугубо эпителиальные клетки кишечника. Таким образом, клетки крипт детерминированы, то есть для них характерно однонаправленное развитие. Детерминация начинается в раннем эмбриогенезе и постепенно сужает число возможных превращений клеток до одного какого-

Генетика с основами биометрии

либо дифференцильного состояния или очень немногих.

2. Эпигеномная наследственность

В процессе изучения онтогенеза большая роль отводится изучению вопросов, касающихся механизма поддержания стабильности дифференцированного состояния; причин сохранения клетками своей специфичности. Вейсман детерминацию объяснял неравнонаследственными делениями. Носитель полной генетической информации – генов, детерминирующих все признаки взрослого организма, – оплодотворенная

яйцеклетка. Тканевые клетки получают набор генов, соответствующих их структуре и функциям. Например, в нервных клетках отсутствуют гены гемоглобина. Свою гипотезу Вейсман объяснял данными по диминуции хроматина у лошадиной аскариды, в процессе которой из клеток тканей удаляется лишний генетический материал. Позже было установлено, что эта гипотеза ошибочна.

тканей ÏолесÃÓидентичен. Это подтверждено данными молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот.

Диминуционные деления, которых бывает одно или два, происходят на ранней стадии эмбрионального периода (3-7 деление дробления) – до начала работы тканеспецифических генов. Диминуцию правомерно назвать первым актом детерминации, который разделяет зародышевые половые и соматические клетки. Все типы ткан вых клеток развиваются после диминуционных делений. Диминуция – это процесс, протекающий у ничтожного числа известных организмов. Благодаря цитогенетике были

Следовательно, можно говорить присутствии генов гемоглобина как в эритроидных клетках, где они активно функционируют, так и в клетках тканей прочих органов.

Таким образом, клетки дифференцируются при неизменном в количественном отношении геноме, сохраняющем все свои компоненты. Однако это не исключает возможность избирательного повреждения и, соответственно, прекращения функционирования отдельных генов. То есть в эпителиальных клетках кишечника гены гемоглобина не работают не по причине отсутствия, а в результате повреждения их структуры или выпадения незначительных по размерам последовательностей (типа ТАТА-бокса), регулирующих транскрипцию.

Генетика с основами биометрии

И такой подход к объяснению механизма дифференциации оказался неверным. Его ошибочность подтвердил английский ученый Дж. Гердон, который руководствовался данными, полученными им по результатам опыта, проведенного в начале 60-гг. на Xenopus laevis (рисунок 1). На неоплодотворенные яйцеклетки воздействовали УФ-лучами, что

инактивировало их ядра и почти без повреждения цитоплазмы. В энуклеированные яйцеклетки микрохирургическим методом пересадили ядра из дифференцированных клеток, источником которых послужил эпителий кишечника головастика. В некоторых случаях были получены нормальные плодовитые взрослые особи. Также было установлено, что при использовании ядер, отобранных от одной особи, все будущие головастики являются

дифференцированногоÏолесÃÓсостояния и детерминации.

Рисунок 1 – Клонирование Xenopus laevis – развитие взрослой особи из яйцеклетки, ядро которой заменено ядром из соматической клетки кишечного

эпителия головастика:

1 – неоплодотворенное яйцо, 2 – УФ-облучение, 3 – головастик, 4 – кишечник головастика, 5 – клетки кишечного эпителия, 6 – микропипетка, 7 – ядро

эпителиальной клетки, 8 – яйцо-реципиент, 9 – бластула, 10 – неделящаяся клетка, 11

– ненормальный эмбрион, 12 – взрослая лягушка

Генетика с основами биометрии

К сегодняшнему дню техника гибридизации соматических клеток in vitro, достигла уровня, которая сделала доступными гибриды между клетками даже далеких видов с разными типами молекулярной организации генома, например, между клетками птиц и млекопитающих. Пример: смешивание эритроцитов птиц, ядра которых генетически неактивны, с человеческими клетками HeLa результат дает гибридные клетки с активными эритроцитарными ядрами, в которых синтезируются РНК, ДНК и белки, специфичные для данного вида птиц. Однако в природе едва ли существуют условия, при которых резко нарушается стабильность дифференцированного

состояния, а тем более происходит передетерминация.

хромосомÏолесÃÓ, которое в наибольшей степени выражено у видов с хромосомами типа ламповых щеток. Вследствие того, что хромосомы этого типа

Таким образом, детерминация и дифференцировка не являются следствием количественных или качественных изменений генома (в абсолютном большинстве случаев). Поэтому можно сказать, что в основе этих процессов лежит эпигеномная наследственность, при которой постоянно воспроизводятся соматические клетки надмолекулярной организации хромосом, позволяющей функционировать в каждом типе клеток строго

клетки моркови и табака могут положить начало полноценным фертильным растениям.

В механизме станов ния д т рминации до сих пор многое остается непонятным, днако известно, что у многих животных, например, у амфибий, первичная детерминация зависит в какой-то степени от химической неоднородн сти раз ичных участков яйцеклетки. Поэтому и детерминация ядер, оказавшихся в х де др бления в районе вегетативного полюса, будет

иной, чем тех, к т рые п падут в цитоплазму анимального полюса.

3. Транскрипция и амплификация генов в оогенезе, их

дифференциальная активность в онтогенезе

Транскрипция и амплификация генов в оогенезе. Фактор,

обуславливающий дифференцировку цитоплазмы яйца, – функционирование

существуют в диплотене и представлены четырьмя хроматидами, на каждом их участке имеется четыре хромомеры и четыре петли. Петли – это участки хромомера с интенсивной транскрипцией. В них легко различается тонкий конец – начало движения РНК-полимеразы, и толстый конец – точка завершения транскрипции. Петли покрыты матриксом – гранулами или фибриллами, состоящими из вновь синтезированной РНК и белка. Некоторые

Генетика с основами биометрии

петли легко идентифицировать по их специфической морфологии. Было установлено, что число петель у тритонов, у которых хромосомы типа ламповых щеток изучены в наибольшей степени, почти соответствует таковому типов иРНК цитоплазмы. Эта иРНК участвует не только в формировании цитоплазмы яйца – большая часть ее молекул не связана с рибосомами и используется позже во время раннего эмбриогенеза.

Нельзя оставить без внимания селективную амплификацию (умножение числа копий) рибосомного гена. Она характерна для некоторых животных, в том числе для амфибий и также является важным генетически обусловленным событием во время оогенеза.

АмплификацияÏолесÃÓ– это следствие кратного увеличения объема яйцеклетки, сравниваемой со средней соматической клеткой. Такой большой объем клетки в нужной степени заполняется рибосомами благодаря увеличению числа генов рДНК. Рассмотрим это на примере Xenoyus laevis: количество рДНК после амплификации сопоставимо с таковым ДНК диплоидного набора хромосом. Число ядрышек («фабрик» рибосом) увеличивается с 2 до 1500.

Молекулярный механизм амплификации сопровождается одной замечательной особенностью – уще твляет я по принципу катящегося кольца. Одна копия гена рДНК, оказавшая я вне хромосомы, образует кольцо с «хвостиком» длиной в н сколько д ятков микрометров. После циклизации эта образует большое кольцо – основу для формирования ядрышка.

Дифференциальная активность г нов. В процессе развития, как было отмечено выше, одни гены вк ючаются, другие, наоборот, – утрачивают свою активность. С целью учш го понимания этого процесса можно вспомнить, ранее рассм тренный нами би генетический закон Мюллера-Геккеля.

Четкая уп ряд ченн сть в разрезе разных стадий онтогенеза млекопитающих устан в ена д я работы генов, ассоциированных с гемоглобин м. Таких пример в огромное множество. Феногенетики больший интерес представляют случаи, когда дифференциальную активность генов можно прослеживать непосредственно по изменению некоторых особенностей хромосом – особенностям хромосомного фенотипа. В качестве примера можно привести пуфы (рисунок 2) – вздутые районы гигантских политенных хромосомах – следствия декомпактизации отдельных дисков и интенсивного синтеза в них РНК. Пуфы отнесены к функционально-активным тканеспецифичным и стадиеспецифичным генам. Индукция поздних пуфов обусловленными гормонами (в частности, экдизоном – гормоном окукливания в индукции пуфов) и белками, которые синтезируют ранние пуфы.

Генетика с основами биометрии

ÏолесÃÓРисунок 2 - Пуфирование гигант ких хромо ом в клетках слюнных желез

дрозофилы под д й тви м экдизона:

1 – экдизон, 2 – рец пгорный б лок, 3 – комплекс экдизона и рецепторного

белка. 4 – ранний пуф, 5 – иРНК, 6 – б ки – продукты раннего пуфа, 7 – регрессия раннего пуфа, 8 – поздние пуфы, возникшие под д йствием продуктов раннего пуфа

Поэт му м жно зак ючить, что переключение генов во время

онтогенеза, а, с ед вате ьно, и смена фаз индивидуального развития определяются, ск рее всего, не только стероидными гормонами и белками. У млекопитающих в регуляции активности генов большое значение имеют стероидные г рм ны. Г рм ны – это продукты синтеза, протекающего в специализированных клетках внутренних желез. Они идентифицируются в любой части организма. Однако есть гормоны, активирующие работу генов лишь определенных клеток. В данном случае гормоны определяют мишени с

помощью своих молекул, специфически связываемых рецепторными

белками клеток. Место образования комплекса (гормон + рецепторный белок)

– цитоплазма. После проникновения в ядро, он взаимодействует с определенным негистоновым белком-репрессором хромосомы, снимает его блокировку. В результате данный ген транскрибируется, созревает иРНК. Последняя транспортируется в цитоплазму, где синтезируется белок.

4. Роль генетических факторов в определении продолжительности жизни

Продолжительность жизни каждого отдельного вида обусловлена

Генетика с основами биометрии

генетическими факторами. Даже при идеальных условиях лабораторные мыши живут максимум 3,5 года. В этом виде есть линии коротко- и долгоживущих животных. Средняя продолжительность жизни в первую очередь определяется внешними факторами, чего нельзя сказать о максимальной продолжительности жизни. Например, по результатам последнего века человек стал в среднем жить в два раза дольше. В то же время максимальная продолжительность его жизни почти не изменилась.

Генетическая детерминация продолжительности жизни на молекулярном уровне пока раскрыта не в полной мере. Среди всех теорий, наиболее популярно следующее мнение – старение связано с хромосомной ДНК –ÏолесÃÓинициируется накопленными повреждениями в ДНК, постепенно разрушающими систему генетической регуляции. Многочисленные нарушения, затрагивающие внутриклеточную регуляцию, в конечном итоге проявляются на уровне тканей, органов и организма. Поэтому они являются важнейшей характеристикой старения. Группа факторов, негативно сказывающихся на продолжительности жизни, представлена ионизирующим излучением, химическими мутагенами, дефектами репарации ДНК (причина ускорения процесса накопления в геноме повреждений), свободными радикалами (побочными продуктами клеточного метаболизма). Есть мнение, что гены, детерминирующие сист мы р парации, по тепенно выходят из строя вследствие эндогенных факторов – причин накопления ошибок в процессе «текущего ремонта» ДНК вплоть до д градации последующей гибелью клетки.

В генной инженерии продо жа тся активный поиск генов, кодирующих ферменты репарации ДНК, введение которых в организм позволит продлевать жизнь чел века, жив тных. Ве ика вероятность, что такая перспектива будет реализована в неда ек м будущем.

Генетика с основами биометрии

7.ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ

7.1ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОПУЛЯЦИЙ

ПЛАН

1. Понятие и типы популяций.

2. Генетическая характеристика популяций апомиктов.

3. Генетическая структура популяций самоопылителей.

4. Генетическая структура панмиктических популяций.

особей (ÏолесÃÓлибо АА, либо аа).

5. Закон Харди-Вайнберга.

1. Понятие и типы популяций

Все виды на Земле существуют в форме не разрозненных особей, а их

совокупностей.

Биологический вид – это совокупность особей, занимающих

определенный ареал, имеющих морфологиче кое, физиологическое, генетическое и поведенческое сход тво, вободно скрещивающихся между

собой и дающих плодовитое потом тво.

процессов на уровне попу яции занима тся популяционная генетика.

Популяционная генетика – наука, изучающая генетический состав, особенности наслед вания и нас едственную преемственность в популяциях

организмов.

Популяция – это с в купность особей одного вида, длительно населяющих дну террит рию, относительно изолированных от других групп особей эт го вида, св б дно скрещивающихся между собой и дающих

плодовитое потомство.

Совокупность генов популяции называется генофондом. Генофонды популяций составляют генофонд вида. Особи одной популяции имеют разные генотипы (АА, Аа, аа), т. . обладают генетическим полиморфизмом, в отличие от чистых линий, представляющих совокупность однородных гомозиготных

Популяции называют панмиксными, если в них отсутствуют

ограничения свободы выбора партнера для скрещивания. Если скрещивание особей (выбор партнера) имеет ограничения, то такие популяции называют

Генетика с основами биометрии

естественного отбора) и искусственные (образуются в результате искусственного отбора, проводимого человеком).

В естественных и искусственных условиях разведения животных встречаются разные типы популяций:

генетическая, или панмиктическая, популяция, для которой характерны свободное спаривание особей, отсутствие избирательности при подборе животных и отсутствие избирательности слияния гамет при оплодотворении;

гетерогенная популяция – искусственно созданное стадо на базе

разных пород или линий одного вида животных;«замкнутая» популяция – группа особей, спаривающихся только

ÏолесÃÓмет д цит генетического анализа кариотипа у особей популяции, при котор м выявляют хр мосомные аномалии, влияющие на прогресс популяции. Ос бенно н важен при оценке производителей для предотвращения распространения хромосомных дефектов;

друг с другом. Генофонд подобной популяции определяется относительной чистотой аллелей каждого локуса популяции и называется аллелотипом;

фенотипические качества р дите ей и потомства, при этом выясняют характер наследования тде ьных признаков в группах потомков;

математический метод, в том числе биометрический, позволяющий выразить состояние и динамику генетической структуры, определить степень влияния генетических факторов на фенотипическое проявление признака. Математический анализ генетической структуры позволяет моделировать генетические процессы, происходящие в популяции в ряде поколений, и определить их перспективу;

эколого-физиологический метод, при котором устанавливают влияние факторов среды на состояние популяции и степень реализации генетического потенциала в фенотипическом проявлении признаков по физиологическим, интерьерным и экстерьерным показателям. Метод может выявить приспособленность фенотипов к условиям обитания, что особенно важно при современной технологии ведения животноводства.