1.История создания хромосомной теории наследственности В 1906 году У. Бэтсон и Р. Пеннет, проводя скрещивание растений душистого горошка и анализируя наследование формы пыльцы и окраски цветков, обнаружили, что эти признаки не дают независимого распределения в потомстве, гибриды всегда повторяли признаки родительских форм. Стало ясно, что не для всех признаков характерно независимое распределение в потомстве и свободное комбинирование. Изучением наследования признаков не дающих независимого распределения генов занимался Томас Морган и его ученики. Если Мендель проводил свои опыты на горохе, то для Моргана основным объектом стала плодовая мушка дрозофила. Плодовая мушка является удобным объектом генетических исследований. Каждые две недели при температуре 25 °С мушка дает многочисленное потомство. Самец и самка внешне хорошо различимы —у самца брюшко меньше и темнее. Они имеют всего 8 хромосом в диплоидном наборе, достаточно легко размножаются в пробирках на недорогой питательной среде. 1902 – 1907гг – немецкий исследователь Теодор Бовери проводил эксперименты над яйцами морских ежей. Док, что требуется наличие всех хромосом, присущих непосредственно виду. 1901-1903гг – Мак-Кланг обнаружил добавочные хромосомы у половины спермиев кузнечиков. Эти хромосомы определяют пол. 1905г – Стивенсон установил различия в половом наборе самок и самцов насекомых. 1906г – подтверждено Вильсоном 1902 – 1903гг Сэттон установил сходство поведения хромосом. 1902г - Бовери и Сэттон - количество признаков намного превосходит кол-во хромосов. 2.Объект исследования и методические особенности в работах по экспериментальному доказательству хромосомной теории. Работы Моргана заложили основы хромосомной теории наследственности, они показали, что ограничения в свободной комбинаторике некоторых генов обусловлены расположением этих генов в одной хромосоме и их физическим сцеплением. Морганом было установлено, что сцепление генов, расположенных в одной хромосоме, не является абсолютным. Во время мейоза хромосомы одной пары могут обмениваться гомологичными участками между собой с помощью процесса, который называется кроссинговером. Чем дальше друг от друга расположены гены в хромосоме, тем чаще они разделяются кроссинговером. На основе этого феномена была предложена мера силы сцепления генов — процент кроссинговера —и построены первые генетические карты хромосом для разных видов дрозофилы. В качестве объекта генетического анализа была выбрана плодовая мушка дрозофила, и Морган изучал наследование у нее разных признаков. Скрестив гомозиготную самку с серыми телом и длинными крыльями (домин), с гомозиготным чернокрылым короткокрылым самцом, в F1 –однообразие (серое тело, длинные крылья) Далее Морган провел несколько анализирующих скрещиваний. Оказалось, что результаты будут разные в зависимости от пола гибрида. Если гибридным был самец, то в потомстве получалось 2 фенотипических класса полностью повторяющих признаки родителей. Если гибридной была самка, то получалось 4 фенотипических классов потомком в неравных пропорциях. Большую часть потомства (83%) составляют потомки с родительскими признаками, меньшую (17%) –особи с новыми комбинациями признаков. Морган сделал вывод, что сцепление может быть неполным, где группа сцепления нарушается кроссинговером. Необычность процентного соотношения у потомков объясняется тем, что кроссинговер происходит не всегда, частота кроссинговера зависит от расстояния между генами –чем больше расстояние, тем меньше силы сцепления между генами, тем чаще кроссинговер. Гаметы, в которые попали хромосомы, не прошедшие кроссинговер, называются некроссоверные. Если в гаметах хромосомы претерпевшие кроссинговер –кроссоверные. 3.Сцепленное наследование признаков. Хромосомы как группы сцепления генов у различных биологических видов. Значение кроссинговера Сцепление генов – гены находятся в одной хромосоме. Группа сцепления - совокупность генов, локализованных в одной хромосоме. Полное сцепление – разновидность сцепленного пола, при котором гены анализируемых признаков располагаются близко друг к другу Неполное сцепление – это такое, при котором анализируемое скрещивание гетерозиготного организма по двум признакам с рецессивной формой, мы получаем не два фенотипа, а четыре. Кроссинговер происходит в профазе I мейоза во время конъюгации гомологичных хромосом. Удвоение хромосом к этому времени завершается, и каждая пара их оказывается представленной четырьмя хроматидами. В пахинеме происходит их тесное переплетение, при этом возможны разрыв и объединение хроматид в новые комбинации. Так как обмен происходит между участками хроматид, то количество кроссоверных гамет не превышает 50%. В редких случаях обмен наблюдается между всеми четырьмя хроматидами, приводя к образованию четырех рекомбинантных хромосом. Морган сформулировал закон сцепления: между гомологичными хромосомами может осуществляться взаимный обмен идентичными участками, в результате чего гены, находящиеся в этих участках парных хромосом, перемещаются из одной гомологичной хромосомы в другую. Отсутствие сцепления между генами представляет исключение и известно лишь у насекомых. Биологическое значение кроссинговера. Благодаря сцепленному наследованию удачные сочетания аллелей оказываются относительно устойчивыми. В результате образуются группы генов, каждая из которых функционирует как единый ген, контролирующий несколько признаков. В то же время, в ходе кроссинговера возникают рекомбинации – т.е. новые комбинации аллелей. Таким образом, кроссинговер повышает комбинативную изменчивость организмов. Это означает, что: а) в ходе естественного отбора в одних хромосомах происходит накопление «полезных» аллелей (и носители таких хромосом получают преимущество в борьбе за существование), а в других хромосомах скапливаются нежелательные аллели (и носители таких хромосом выбывают из игры – элиминируются из популяций) б) в ходе искусственного отбора в одних хромосомах накапливаются аллели хозяйственно-ценных признаков (и носители таких хромосом сохраняются селекционером), а в других хромосомах скапливаются нежелательные аллели (и носители таких хромосом выбраковываются). 4.Основные положения хромосомной теории наследования (Т.Морган) 5.Генетические и цитологические карты хромосом 6.Определение и характеристика кариотипа Совокупность признаков хромосомного набора, число размер и форма хромосом —кариотип. Идеограмма — это систематизированный кариотип. Хромосомы расположены по мере убывания их величины. В медицинской генетике с помощью идиограммы диагностируют некоторые хромосомные болезни. Кариотип — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данногобиологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Хромосомы подразделяют на аутосомы ( одинаковые у обоих полов) и гетерохромосомы, или половые хромосомы, ( разный набор у мужских и женских особей). Кариотип человека содержит 22 пары аутосом и 2половые хромосомы: ХХ у женщин и ХY у мужчин( 44+ХХ и 44+xy). В соматических клетках организмов содержится диплоидный – 2n(двойной) набор хромосом, а в гаметах – гаплоидный 1n)одинарный) Идиограмма - схематическое обобщённое изображение кариотипа с соблюдением усреднённых количеств, отношений между отд. хромосомами и их частями. На И.изображаются не только морфол. признаки хромосом, но и особенности их первичной структуры, спирализации, р-ны гетерохроматина и др. Сравнит, анализ И. используется в кариосистематике для выявления и оценки степени родства разл. Групп организмов на основании сходства и различия их хромосомных наборов. 7. Способы определения пола Определе́ние по́ла, или детермина́ция по́ла —биологический процесс, в ходе которого развиваются половые характеристики организма. Большинство организмов имеют два пола. Иногда встречаются также гермафродиты, сочетающие признаки обоих полов. Некоторые виды имеют лишь один пол и представляют собой самок, размножающихся без оплодотворения путём партеногенеза, в ходе которого на свет появляются также исключительно самки. Пол - это совокупность признаков и свойств, обеспечивающих участие организма ввоспроизводстве и передаче наследственной информации за счёт образования гамет. Хромосомная теория определения пола: заключается в том, какой пол является гетерогаметным. Половая принадлежность организма может определяться на разных этапах относительно момента оплодотворения, в зависимости от этого выделяют типы определения пола: • сингамное определение пола генетическое определение пола при оплодотворении, которое зависит от характера сочетания половых хромосом, либо от соотношения половых хромосом и аутосом. • прогамное определение пола – определение пола до оплодотворения, при котором пол будущей особи зависит от того, какие именно яйца (из возможных двух сортов) –крупные, богатые цитоплазмой, или мелкие, бедные цитоплазмой производят самки. После оплодотворения первые развиваются в самок, а вторые – в самцов (некоторые черви, коловратки); • эпигамное, или фенотипическое, определение пола – определение пола после оплодотворения в ходе онтогенеза под влиянием внешних факторов (пол крокодильчиков, которые выводятся из яиц, зависит от температуры, при которой развиваются яйца: чем выше эта температура, тем больше выводится самок). 8.Наследование пола. Роль хромосом в детерминации пола. Гомо- и гетерогаметный пол К сингамному типу относится хромосомное определение пола. Ответственные за пол хромосомы назвали половыми. Нормальная мужская гамета несет либо Х либо Y-хромосому, а все яйцеклетки – Х-хромосому. В случае нормального расхождения хромосом при мейозе образуются нормальные яйцеклетки и сперматозоиды с обычным набором хромосом Х или Y. Пол зиготы определяется по соотношению хромосом в гаметах. При этом различают гомогаметный и гетерогаметный пол. У гомогаметного пола одинаковые гаметы. выделяют следующие типы хромосомного определения пола: •самки гомогаметны, самцы гетерогаметны •самки XX; самцы XY •самки XX; самцы X0 •самки гетерогаметны, самцы гомогаметны •самки ZW; самцы ZZ •самки Z0; самцы ZZ Балансовая теория пола (К.Б. Бриджес, 1922) подразумевает, что в определении пола принимают участие не только половые хромосомы, но и аутосомы. Один гаплоидный набор аутосом сообщает особи свойства мужского пола. В данном случае пол определяется соотношением количества половых хромосом к набору аутосом. Гены женского организма сосредоточены в Х-хромосомах, мужского – в аутосомах (А). В норме: · самки имеют баланс 2Х : 2А=1 · самцы – 1Х : 2А=0,5. Нормальный баланс половых хромосом и аутосом у человека: · женщин – ХХ : 44А. (2х : 2А) · мужчин – ХY : 44А. (1х : 2А) Нарушения: ХО : 44А. – моносомия у женщин. ХХХ : 44А. – трисомия у женщин. ХХY, ХХХY : 44А. – синдром Кляйнфельтера (мужской фенотип) ХYY : 44А. – полисомия по Y. 9.Типы хромосомной детерминации пола у различных биологических видов 10.Половой хроматин. Теория Лайон 11. Наследование признаков, сцепленных с полом. Примеры у человека 12.Голландрические признаки человека и особенности их генетической детерминации. 14. «Цитоплазматичесике гены». Плазмогены митохондрий и хлоропластов 13.Цитоплазматическая наследственность. Опыты К.Корренса (1909) 15.Роль симбионтов клетки (вирусов,плазмид,эписом) и цитоплазматичской наследственности. Явление трансдукции. Плазмиды – широко распространенные в клетке внехромосомные генетические элементы, которые могут самостоятельно существовать и размножаться автономно от хромосомной ДНК. Эписомы – это плазмиды, которые реплицируются в составе хромосомной ДНК, в которую они включаются в определенные моменты. В прокариотической клетке имеются плазмиды, которые отвечают за способность бактерий к коньюгации и за устойчивость к некоторым лекарственным средствам. В эукариотической клетке плазмиды представлены митохондриями, пластидами и нуклеотидными последовательностями. Генетический материал плазмид содержится в матриксе и их ДНК не связана с гистоновыми белками. Плазмон – это совокупность генов, расположенных в цитоп лазматической молекуле ДНК . Наследственность цитоплазматическая (внеядерная, нехромосомная, плазматическая), преемственность материальных структур и функциональных свойств организма, которые определяются и передаются факторами, расположенными в цитоплазме. Совокупность этих факторов - плазмагенов, или внеядерных генов, составляет плазмон. Плазмагены находятся в самовоспроизводящихся органеллах клетки митохондриях и пластидах (в том числе хлоропластах и др.). Указанием на существование цитоплазматической наследственности служат, прежде всего, наблюдаемые при скрещиваниях отклонения от расщеплений признаков, ожидаемых на основе законов Менделя. Плазмагены передаются главным образом через женскую половую клетку (яйцеклетку), так как мужская половая клетка (спермий) почти не содержит цитоплазмы. В прокариотической клетке имеются плазмиды, которые отвечают за способность бактерий к коньюгации и за устойчивость к некоторым лекарственным средствам. В эукариотической клетке плазмиды представлены митохондриями, пластидами и нуклеотидными последовательностями. Генетический материал плазмид содержится в матриксе и их ДНК не связана с гистоновыми белками. Некоторые виды цитоплазматической наследственности связаны с присутствием в цитоплазме эукариот эндосимбионтов — бактерий или вирусов. Эндосимбионтами называют организмы, живущие в клетках другого организма независимо от того, выгодно это последнему или нет. С эндосимбиозом связаны и некоторые признаки у дрозофил. Один из них, известный как «соотношение полов», заключается в том, что у ряда видов дрозофил в потомстве либо вовсе не обнаруживаются самцы, либо их количество значительно меньше ожидаемых 50%. Имеются данные, показывающие, что этот признак передается по материнской линии и обусловлен присутствием в цитоплазме клеток дрозофилы симбионтов типа спироплазм, содержащих вирусы, но контролируется также некоторыми ядерными генами. Трансдукцией называется перенос генетического материала с помощью вирусов из клетки-донора в клетку-реципиент. Явление трансдукции открыл в 1951 г. Н. Зиндер (ученик Дж. Ледерберга). При трансдукции в вирионы попадает ДНК клетки-хозяина. Вирионы заражают другие клетки, и ДНК исходной бактериальной клетки проникает в другую бактериальную клетку. Вирусная ДНК интегрируется в бактериальную хромосому, а привнесенная бактериальная ДНК рекомбинирует с ДНК бактериальной хромосомы. В результате 50% клеток оказываются трансформированными. Различают: общую (неспецифическую), ограниченную (специфическую), абортивную трансдукцию. При общей трансдукции фрагменты бактериальной ДНК донора случайно включаются в созревающую фаговую частицу вместе с фаговой ДНК или вместо фаговой ДНК. Фрагменты бактериальной ДНК образуются при ее разрезании ферментом, контролируемым фагом. В состав фаговой частицы может включаться до 100 бактериальных генов. При ограниченной трансдукции происходит рекомбинация – бактериальная ДНК замещает часть фаговой ДНК. В состав рекомбинантной ДНК входит небольшое количество бактериальных генов, прилежащих к фаговой ДНК, интегрированной в бактериальную хромосому. При общей и ограниченной трансдукции донорская ДНК замещает гомологичные участки ДНК реципиента. Этот процесс сходен с трансформацией. Абортивная трансдукция может быть и неспецифической, и специфической. Ее сущность заключается в том, что трансдуцируемый фагом фрагмент ДНК не включается в хромосому реципиента, а существует как цитоплазматический репликон. Рано или поздно этот репликон утрачивается. Явление трансдукции вирусами широко используется при переносе генов у эукариот. 16.Развитие генной инженерии. Явление трансгенеза Генная инженерия (генетическая инженерия) – совокупность методов и технологий, в том числе технологий получения рекомбинантных рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот, по выделению генов из организма, осуществлению манипуляций с генами и введению их в другие организмы. Является составной часть современной биотехнологии, теоретическая основа которой представлена молекулярной биологией, генетикой. Суть новой технологии заключается о направленном, по заранее заданной программе конструировании молекулярных генетических систем вне организма с последующим внедрением созданных конструкций в живой организм. В результате достигается их включение и активность в данном организме и у его потомства. Возможности генной инженерии – генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение генно-инженерномодифицированных (генетически модифицированных, трансгенных) организмов с новыми уникальными генетическими, биохимическими и физиологическими свойствами и признаками, делают это направление стратегическим. С точки зрения методологии генная инженерия сочетает в себе фундаментальные принципы (генетика, клеточная теория, молекулярная биология, системная биология), достижения самых современных постгеномных наук: геномики, метаболомики, протеомики с реальными достижениями в прикладных направлениях: биомедицина, агробиотехнология, биоэнергетика, биофармакология, биоиндустрия и т.д. Генная инженерия относится (наряду с биотехнологией, генетикой, молекулярной биологией, и рядом других наук о жизни) к сфере естественных наук. Трансгенез — это процесс введения человеком либо природой чужеродного гена, называемого трансгеном, в живой организм. При этом организм получает свойства, которые он может передавать потомству. Геном трансгенных животных является преднамеренно модифицированным. Трансгенные организмы могут преобразовывать чужеродные гены, так как генетический код одинаков для всех живых организмов. Это означает, что последовательность ДНК будет кодировать одинаковую аминокислотную последовательность во всех организмах. Первые эксперименты по создани трансгенных организмов: 1976-Херб Бойер открывает компани которая в последующие 6 лет создает и реализует продуцирующие человеческие белки в том числе инсулин. Необходимые шаги на пути к созданию трансгенного организма: 1. Получить изолированную последовательность ДНК 2. На основе данной последовательности создать специальный трансгенный вектор 3. Внедрить вектор в модифицируемый организм 4. Выявить и отобрать успешно модифицированных особей 17.Основные подходы в конструировании генетических структур и создании современных биотехнологий Основные способы внедрения трансгенной конструкций: 1. Микроинъекция ДНК в пронуклеос зиготы 2. Использование генетически модифицированных эмбриональных стволовых клеток 3. Искусственное оплодотворение с использованием генетически модифицированных сперматозоидов 4.Плазмидная, вирусная трансфекция ПЛЮСЫ Есть возможность регулировать количество вводимой ДНК Точность «доставки» Можно работать с различными животными МИНУСЫ Процесс микроинъекции может привести к гибели эмбриона Одна инъекция –одна клетка Трансген встраивается случайным образом Требует высокой квалификации Относительно низкий уровень трансформации