< Попер   ЗМІСТ   Наст >

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕНЕТИКИ

Базовые термины генетики

У каждого организма, в том числе и у человека, имеются видоспецифические и индивидуально специфические особенности, или признаки. Признаки могут быть:

  • Качественные. Такие признаки указывают на наличие или отсутствие какого-либо качества. Например, карликовость, группа крови, резус-фактор, фенилкетонурия. Часто только один ген оказывает влияние на проявление качественного признака.
  • Количественные. Количественные признаки изменяются, подсчитываются и выражаются цифрами, например, живая масса, рост, коэффициент интеллекта. Они могут быть описаны кривой нормального распределения (рис. 2.1). На них влияет обычно множество генных пар.

Нормальное распределение количественного признака X

Рисунок 2.1. Нормальное распределение количественного признака X

На проявление признаков влияет среда (социальная, географическая, экологическая) и наследственность.

Наследственность — способность живых организмов передавать свойства и функции от родителей к потомкам. Эта передача осуществляется при помощи генов. Способность приобретать новые признаки, отличные от родительских, называют изменчивостью.

Ген (в переводе "род, происхождение") — функционально неделимая единица генетического материала. Основная функция гена — кодирование белка, так как ген содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. Некоторые гены не кодируют белок, а осуществляют контроль за работой других генов. Функция третьей части генов на сегодняшний день неизвестна. Термин "ген" предложил в 1909 году В. Иогансон.

Аллель — одно из возможных структурных состояний гена. У человека одновременно могут быть два аллеля одного гена — по одному аллелю на каждой из пары гомологичных хромосом. В принципе среди множества разных людей таких разных состояний гена также может быть много, обеспечивая так называемый генетический полиморфизм. Местоположение гена (аллелей) в хромосоме называется локусом.

Генотип — совокупность всех генов организма.

Фенотип — частный случай реализации генотипа в конкретных условиях среды; внешнее проявление генотипа. Термины "генотип" и "фенотип" также ввёл В. Иогансон в 1909 году. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и среды, в которой развивается индивид. Фенотип представляет собой то, что можно наблюдать. Обычно при описании фенотипа используются наборы признаков.

Под нормой реакции генотипа понимается выраженность фенотипических проявлений конкретного генотипа в зависимости от изменений условий среды. Можно выделить диапазон реакций данного генотипа от минимальных до максимальных фенотипических значений в зависимости от среды, в которой индивид развивается. Разные генотипы в одной и той же среде могут иметь разные фенотипы. Обычно при описании диапазона реакций генотипа на изменение среды описывают ситуации, когда имеется типичная среда, обогащенная среда или обеднённая среда в смысле разнообразия стимулов, влияющих на формирование фенотипа.

Фенотипические различия между разными генотипами становятся более выраженными, если среда оказывается благоприятной для проявления соответствующего признака. Например, если человек имеет генотип, который определяет математические способности, то он будет демонстрировать высокие способности как в обеднённой, так и обогащенной среде. Но в обогащенной среде (благоприятной) уровень математических достижений будет выше. В случае другого генотипа, который определяет низкие математические способности, изменение среды не приведёт к значительным изменениям в уровне математических достижений.

Геном — совокупность генов, характерных для особей данного вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома, в отличие от генотипа, является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. В настоящее время под геномом понимают совокупность наследственного материала конкретного представителя вида, примером может служить международный проект "1000 геномов", целью которого является секвенирование геномов 1000 человек.

Доминантный аллель — аллель, который маскирует наличие другого аллеля.

Рецессивный аллель — аллель, фенотипическое проявление которого маскируется другим (доминантным) аллелем. Для проявления рецессивного аллеля обычно необходимо наличие двух аллелей.

Организм называется гомозиготным, если имеются одинаковые копии (аллели) генов. Организм будет гетерозиготным, если имеются разные копии генов. Если, например, два разных состояния гена обозначить буквами А и а, то гомозиготы обозначаются АА и аа, а гетерозигота — Аа.

Установлено, что материальным носителем генетической информации является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), которая у человека составляет 46 хромосом. Гены расположены в хромосомах (окрашенные тельца) и представляют собой гигантские молекулы ДНК длиной в растянутом состоянии до 2 метров. Хромосомная теория наследственности была сформулирована в 1902 году Если сложить в одну линию все ДНК человека, то получится длина, в 1000 раз превышающая расстояние от Земли до Солнца.

Хромосомы объединяются в пары (хромосомы в парах называются гомологичными). Всего у человека 23 пары хромосом, причём одну хромосому в паре он получает от отца, а другую — от матери (рис. 2.2). Набор хромосом, который содержится в гаметах, называется гаплоидным набором, а в клетках организма, развивающегося из зиготы, содержится диплоидный набор хромосом.

Из 23 пар хромосом — 22 пары одинаковые у мужчин и женщин, они называются аутосомы, а 23-я пара у мужчин и женщин различная. Это половые хромосомы. Хромосома, несущая "женский" набор генов — Х-хромосома, а мужской — У-хромосома. У женщин всегда две Х-хромосомы (кариотип XX), а у мужчин одна хромосома — X, а другая — У (кариотип ХУ) — рис. 2.3. Гены, находящиеся в половой X-хромосоме, характеризуются специфической передачей, которую называют "крест-накрест". При таком наследовании признак матери проявляется у сыновей, а признак отца — у дочерей.

Рисунок 2.2. Хромосомы человека

Хромосомы человека

Микрофотография X и У хромосомы

Рисунок 2.3. Микрофотография X и У хромосомы

В конце 40-х годов XX века было обнаружено, что в клетках женщин имеются своеобразные хроматиновые глыбки, названные половым хроматином или тельцем Барра по имени исследователя, их обнаружившего. У мужчин такого хроматина не было. Оказалось, что тельце Барра образуется из одной Х-хромосомы. Образование тельца Барра у человека связано с поддержанием дозового соотношения генов в генотипе (генный баланс). В У-хромосоме имеется мало генов, а Х-хромосома содержит примерно 20% всех генов. Именно благодаря такому механизму эффект Х-хромосомы, представленной у женщин в двойной дозе, проявляется не сильнее, чем у мужчин, у которых имеется только одна Х-хромосома и, соответственно, — одна доза генов. Инактивации может подвергаться любая из Х-хромосом на ранних стадиях эмбриогенеза, когда число клеток в зародыше относительно мало.

Материальной основой наследственности является ДНК, представляющая собой двойную спираль. Такой её вид был открыт в 50-х годах 20-го века Джоном Уотсоном и Френсисом Криком.

ДНК состоит из 4 типов нуклеотидов — оснований. К ним относятся: А (аденин), Т (тимин), Ц (цитозин), Г (гуанин). При формировании спирали А соединяется с Т, а Г с Ц водородными связями. Генотип человека — 3 миллиарда букв, комбинаций нуклеотидов. Если сравнить число нуклеотидов с числом букв, то сумма нуклеотидов на 46 хромосомах человека, доставшихся ему от отца и матери, соответствует количеству букв из подшивки газеты "Московский комсомолец" за 30 лет.

Свойство ДНК — копировать себя и сохранять изменения. Механизм синтеза белка очень сложный: помимо ДНК необходима ещё и РНК (рибонуклеиновая кислота).

РНК представляют собой полимеры, состоящие из остатка фосфорной кислоты, сахара рибозы, гетероциклических оснований: аденина, гуанина, урацила, цитозина. Различают несколько видов РНК, которые имеют разную структуру и выполняют различные функции.

Матричная (информационная) РНК (м-РНК) — молекула рибонуклеиновой кислоты, содержащая информацию о последовательности аминокислот в белке, обеспечивает переписывание (транскрипцию) генетической информации с молекулы ДНК. Образно можно сказать, что ДНК — это чертёж, а РНК — копия чертежа, которая используется в производстве.

Транспортная РНК участвует в трансляции (переводе) последовательности нуклеотидов м-РНК в последовательность аминокислот белковой цепи. Биосинтез белка осуществляется органоидами белка — рибосомами, в которых имеются рибосомальная РНК (рис. 2.4).

ДНК и нуклеотиды

Рисунок 2.4. ДНК и нуклеотиды

Выделяют следующие виды хромосом в зависимости от соотношения длины короткого плеча к длине всей хромосомы (рис. 2.5):

  • • телоцентрические (отсутствует одна пара плеч — у человека не встречаются);
  • • акроцентрические (палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом);
  • • субметацентрические (с плечами неравной длины, напоминающие по форме букву Ь);
  • • метацентрические (У-образные хромосомы, обладающие плечами равной длины).

Метацентрическая, акроцентрическая, телоцентрическая хромосомы человека

Рисунок 2.5. Метацентрическая, акроцентрическая, телоцентрическая хромосомы человека

В каждой из 23 пар хромосом разное количество генов, образованных огромным числом оснований ДНК (табл. 2.1). Различают хромосомную и цитоплазматическую (митохондриальную) наследственность. Хромосомная наследственность определяется генами, локализованными в хромосомах, и закономерностями удвоения, объединения и распределения хромосом при делении клетки. Наследственные факторы находятся и в цитоплазме, и в митохондриях. Цитоплазматические наследственные факторы распределяются между дочерними клетками случайно; здесь не обнаружено закономерностей наследования, то есть когда обсуждаются генетические закономерности, то это относится к хромосомной наследственности.

Таблица 2.1. Количество генов в хромосомах

Хромосома

Всего оснований

Количество генов

Количество белок-кодирующих генов

1

249250621

3511

2076

2

243199373

2368

1329

3

198022430

1926

1077

4

191154276

1444

767

5

180915260

1633

896

6

171115067

2057

1051

7

159138663

1882

979

8

146364022

1315

702

9

141213431

1534

823

10

135534747

1391

774

11

135006516

2168

1914

12

133851895

1714

1068

13

115169878

720

331

14

107349540

1532

862

15

102531392

1249

615

16

90354753

1326

883

17

81195210

1773

1209

18

78077248

557

289

19

59128983

2066

1492

20

63025520

891

561

21

48129895

450

246

22

51304566

855

507

Х-хромосома

155270560

1672

837

У-хромосома

59373566

429

76

Всего

3 079 843 747

36463

В процессе оплодотворения участвуют две клетки — яйцеклетка и сперматозоид. Яйцеклетка — большая клетка, содержащая множество митохондрий. Сперматозоид же, хоть и содержит несколько митохондрий, но утрачивает их во время или сразу после проникновения в яйцеклетку вследствие растворения хвостовой части. Поэтому в оплодотворении участвует только ядро сперматозоида (за редким исключением возможна и передача отцовских митохондрий), то есть все митохондрии в клетках будущего человека имеют материнское происхождение (см. приложение Б).

Митохондриальная ДНК способна сохраняться в останках на протяжении многих лет. Её характеристики могут служить веским доказательством родства. Так, идентификация царской семьи Николая II по ископаемым останкам была осуществлена на базе анализа именно митохондриальной ДНК (рис. 2.6).

Родство царской семьи Николая II по анализу митохондриалъной ДНК. Окрашенные кружки и квадраты обозначают родственников женского и мужского пола, имеющих одинаковую митохондриалъную ДНК, передающуюся по материнской линии

Рисунок 2.6. Родство царской семьи Николая II по анализу митохондриалъной ДНК. Окрашенные кружки и квадраты обозначают родственников женского и мужского пола, имеющих одинаковую митохондриалъную ДНК, передающуюся по материнской линии

Геном митохондрии уже расшифрован. Он представлен кольцевой молекулой ДНК, содержащей 16569 нуклеотидов. Мутации в митохондриях могут быть причиной наследственных заболеваний.

Кариотип — совокупность признаков (число, размеры, форма и т.д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы). В нём при написании указывается число, размер, форма хромосом. Например:

  • 46, ХУ — нормальный кариотип мужчины;
  • 46, XX — нормальный кариотип женщины;
  • 47, XX + 8 — кариотип с лишней хромосомой на 8 позиции; 45, Х0 — кариотип с недостающей хромосомой.

Как правило, нарушения кариотипа у человека сопровождаются множественными пороками развития, большинство таких аномалий несовместимо с жизнью и приводят к самопроизвольным абортам на ранних стадиях беременности. Доля выкидышей вследствие нарушений кариотипа в течение первого триместра беременности составляет 5060%. Нарушения кариотипа могут также возникнуть и на ранних стадиях дробления зиготы, развившийся из такой зиготы организм содержит несколько линий клеток (клеточных клонов) с различными кариотипами, такая множественность кариотипов всего организма или отдельных его органов именуется мозаицизмом.

Законы Менделя

Основные законы наследуемости были описаны чешским монахом Грегором Менделем (1822-1884). Мендель занимался селекцией гороха и именно гороху обязан открытием основных законов наследственности. Свою работу Мендель вёл 8 лет, изучил более 10000 растений гороха, результаты своей работы предоставил в статье в 1865 году. В этой статье он подвёл итог своей работы и сформулировал 3 основных закона наследственности.

Закон единообразия гибридов первого поколения (первый закон Менделя)

Данный закон утверждает, что скрещивание гомозиготных особей, различающихся по изучаемому признаку, даёт генетически и фенотипически однородное потомство, все особи которого гетерозиготны. В опытах Менделя все гибриды первого поколения имели фенотип одного из родителей (полное доминирование). В экспериментах он скрещивал зелёный и жёлтый горох. И все гибриды первого поколения были жёлтыми. Данный признак (жёлтый цвет) был назван доминантным (рис. 2.7).

Иллюстрация первого закона Менделя

Рисунок 2.7. Иллюстрация первого закона Менделя

Закон расщепления гибридов второго поколения (второй закон Менделя)

При скрещивании между собой среди гибридов второго поколения в определённых соотношениях восстанавливаются исходные родительские формы. В случае полного доминирования — это соотношение 3 : 1. Три четверти гибридов несут доминантный признак, одна четверть — рецессивный. При скрещивании гибридных жёлтых горошин (потомков зелёного и жёлтого гороха) получались три четверти потомков жёлтого цвета, одна четверть — зелёного.

Закон независимого комбинирования (наследования) признаков (третий закон Менделя)

Этот закон говорит о том, что каждая пара разных признаков ведёт себя в ряду поколений независимо друг от друга. Так, независимо наследуется цвет и форма горошин. Цвет (жёлтый или зелёный) никак не связан с формой (гладкой или морщинистой) горошин (рис. 2.8).

Иллюстрация третьего закона Менделя

Рисунок 2.8. Иллюстрация третьего закона Менделя

Современная генетика установила, что третий закон Менделя выполняется только для признаков, гены которых расположены на разных хромосомах. Если же гены двух признаков находятся на одной хромосоме, то данные признаки наследуются сцеплено, т.е. передаются по наследству как связанная пара элементов, а не как отдельные элементы. Сцеплено наследуются, например, цвет волос и цвет глаз. На практике это означает, что у большинства светловолосых людей — светлые глаза, и наоборот, у большинства темноволосых людей — тёмные глаза.

Но даже при сцепленном наследовании возможно, что признаки всё-таки разойдутся в следующем поколении, это связано с кроссинговером — процессом перехода гена с одной гомологичной хромосомы на другую в паре.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >