генетика лекция. Предмет, методы и значение генетики
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
Лекция-10 НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, СЦЕПЛЕННЫХ С ПОЛОМ. План: ПРОБЛЕМА РЕГУЛЯЦИИ ПОЛА Причины более высокой смертности среди самцов млекопитающих можно объяснить исходя из особенностей наследования признаков, сцепленных с полом. Явление сцепленного с полом наследования впервые открыл Т. Морган при скрещивании мух-дрозофил с красной и белой окраской глаз. Если в скрещивании участвовали красноглазые самки и белоглазые самцы, все потомство рождалось красноглазым. Во втором же поколении наблюдалось расщепление в соотношении 3:1. Но в отличие от мендель-ского моногибридного скрещивания расщепление было только среди самцов: одна половина из них была с белыми глазами и другая — с красными; все самки были красноглазыми. При обратном (реципрокном) скрещивании белоглазых самок с красноглазыми самцами картина была иной: все самки имели красные глаза, самцы — белые. При скрещивании этих особей во втором поколении половина самцов и самок рождалась красноглазыми. Признаки, расщепление по которым при скрещивании связано с полом, называют сцепленными с полом. Эти признаки обусловливаются генами, локализованными в половых хромосомах. Установлено, что наследование их зависит в основном от Х-хромосомы. Y-Хромосома имеет небольшие размеры, состоит преимущественно из гетерохроматина и является генетически инертной, за исключением, возможно, некоторых генов, контролирующих воспроизводительную функцию и признаки пола. У самцов млекопитающих гены, локализованные в Х-хромосоме, не имеют доминантных или рецессивных партнеров (аллелей) на Y-хромо-соме. Рецессивные гены у них проявляют свое действие уже в одинарной дозе (гемизиготном состоянии) по типу доминантного. Практическое использование сцепленного с полом наследования признаков. В птицеводстве оказалась полезной рецессивная, сцепленная с Х-хромосомой мутация карликовости. Карликовые куры отличаются от нормальных лучшей оплатой корма продукцией, для них требуется меньшая площадь содержания. Они резистентны к отдельным болезням. В шелководстве получил распространение метод использования сцепленных с полом деталей для получения гусениц только мужского пола, дающих более крупные коконы, содержащие шелка на 25—30 % больше, чем коконы гусениц самок. Для этого В. А. Струнников вывел линию, сбалансированную по двум Z-леталям с помощью транслокации (переноса) фрагмента половой Z-хромосомы на W-хромосому. При скрещивании самцов с одной неаллельной деталью в каждой из двух хромосом (а и Ь) с самками без транслокаций рождаются только самцы:  Наследственные аномалии животных, сцепленные с полом. У сельскохозяйственных животных установлено несколько форм врожденных аномалий, обусловленных генами, локализованными в половой хромосоме. Как правило, они имеют рецессивный характер проявления, и при этом поражаются преимущественно особи гетерогамного пола: у млекопитающих — самцы, у птиц — самки. Сцепленные с полом летальные и сублетальные аномалии изменяют численное соотношение полов при рождении или после него вследствие гибели или браковки у млекопитающих самцов, у птиц — самок. Например, А. И. Жигачевым установлено, что такая аномалия, как врожденная деформация передних конечностей в сочетании с анкилозом суставов, изученная у животных черно-пестрой, сычевской и костромской пород, проявляется, как правило, у бычков, родственных между собой, что указывает на сцепленное с полом наследование. НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, ОГРАНИЧЕННЫХ ПОЛОМ Наследование признаков, контролируемых генами, локализованными в аутосомах, но фенотипически проявляющихся исключительно или%преимущественно у одного пола, — есть наследование, ограниченное полом. Расщепление по таким признакам соответствует правилам Менделя. Выделяют также признаки, контролируемые полом. Они обусловлены генами, локализованными в половых хромосомах, но проявляются у обоих полов по-разному. К числу патологических, или нежелательных, признаков, ограниченных полом, у животных можно отнести гипоплазию вымени и сосков, гипоплазию гонад (семенников и яичников), крипторхизм, недоразвитие разных частей половых органов у телок (наблюдаемое преимущественно у животных белой масти), сужения прямой кишки и матки у коров, аплазию сегментных протоков Вольфа, затянувшуюся беременность у самок, аномалии сперматозоидов у самцов и др. Большинство из указанных аномалий вызывает частичное или полное нарушение воспроизводительной функции. ПРОБЛЕМА РЕГУЛЯЦИИ ПОЛА Проблема регуляции пола вытекает из необходимости увеличения продукции животноводства за счет преимущественного получения особей одного вида, дающих более высокий выход молока, мяса, шерсти, яиц и т. д. Так, в молочном скотоводстве более желательно рождение телочек, а в мясном — бычков, так как они быстрее растут. От высокоценных племенных быков и коров целесообразно получать мужских потомков для более быстрого размножения их генотипов. В яичном птицеводстве экономически более выгодно получение курочек. В связи с этими практическими потребностями исследователи не только стремятся познать механизмы определения пола, но и изучают возможности искусственного регулирования пола. Необходимо отметить, что в отношении крупных животных с внутриутробным развитием плодов эта проблема еще не решена. Регуляция соотношения полов у млекопитающих может быть достигнута путем разделения спермы на две фракции: первую — содержащую в спермиях Х-хромосому и вторую — содержащую Y-хромосому. Оплодотворение самок одной из этих фракций будет давать приплод одного пола. Проводились эксперименты по разделению спермы на указанные фракции центрифугированием, электрофорезом и седиментацией (осаждением) с помощью аминокислого гистидина. Осеменение самок крольчих, например, более легкой и более подвижной фракцией приводило к сдвигу в сторону мужского пола. Однако полного сдвига в соотношении полов сделано не было. Разрабатывается метод количественного определения ДНК в спермиях путем измерения интенсивности флуоресценции ядер. Полученные результаты, как считают авторы этого метода, могут стать предпосылкой для успешного разделения спермиев у млекопитающих на несущие X-или Y-хромосому. -) Партеногенез. Это развитие организма без оплодотворения. Получение особей одного пола может быть достигнуто при развитии эмбрионов из отцовских (андрогенез) или материнских (гиногенез) гамет. Так, под руководством Б. Л. Астаурова были проведены эксперименты по андрогенезу у тутового шелкопряда. Неоплодотворенные яйца шелкопряда подвергали тепловому шоку и облучали рентгеном, тем самым разрушали их ядра, не повредив цитоплазму. Затем эти яйца осеменяли. Зигота формировалась путем слияния ядер двух проникших в яйцо спермиев, развившиеся из нее особи имели признаки только отцовского вида. В другом варианте экспериментов неоплодотворенные и еще не прошедшие редукционного деления яйца нагревали, останавливая тем самым мейоз и сохраняя диплоидность набора хромосом. Из таких яиц без оплодотворения (партеногенетически) развивались только самки, унаследовавшие признаки матери. Девственное развитие (партеногенез) в естественных или спонтанных условиях встречается у птиц. И. В. Кудрявцев, 3. А. Ощепкова, А. К. Голубев и др. на основании экспериментов, проведенных на курах разных пород, пришли к выводу, что существуют генетические предпосылки селекции на получение жизнеспособных особей — партеногенов и создание линий с высокой предрасположенностью к партеногенезу. При этом все вылупляющиеся цыплята оказываются петушками. Отбор на повышение частоты партеногенеза, проведенный в двух линиях индеек, дал следующие результаты. Способность яиц к партеногенезу возросла с 1,1 до 18,6 % в первой линии ис4до21,1%во второй. Значение партеногенеза не только в том, что он позволяет получить потомство одного пола, но и в том, что использование этого явления дает возможность получить особей, идентичных генотипу одной из родительских форм. Генетические методы раннего определения пбла. Определение пола в раннем периоде онтогенеза в отдельных случаях весьма целесообразно. Так, при производстве бройлерных (мясных) цыплят используют только петушков. Однако в раннем возрасте различить петушков и курочек трудно. Для решения этого вопроса еще в 20—30-х годах нашего столетия использовали сцепленную с полом окраску кур для различения пола у суточных цыплят. Скрещивали, например, золотистых петухов с серебристыми курами. Из яиц вылуплялись цыплята — одни желтые, другие зеленовато-белые: первые — курочки, вторые — петушки. Используя явление сцепленного с полом наследования, Пен-нет в Англии создал породу кур камбар. Вылупившиеся петушки этой породы гораздо более светлой окраски, чем курочки, у которых светлый фон пуха имеет темноватый пятнистый рисунок. А. С.^еребровский изучил признак полосатости у кур и установил, что он детерминирован геном, локализованным в половой хромосоме. Поэтому при определенных скрещиваниях у ге-мизиготных петушков он встречается очень редко. В других вариантах скрещиваний все цыплята-петушки имели светлое пятно на затылке, а курочки были лишены его, или на пухе петушков имелись темные пятна, у курочек — нет. Эти различия обусловливаются доминантным геном В, локализованным в половой Х-хро-мосоме. Наследственный детерминизм в окраске был найден у гусей — один пол белый, другой — серый. В настоящее время разработан способ распознавания пола цыплят по строению клоаки. У крупных малоплодных животных (крупный рогатый скот, лошади) разработаны методы раннего определения пола, основанные на микрохирургическом получении клеток трофобласта у эмбрионов или взятии амниотической жидкости с последующим цитогенетическим анализом состава половых хромосом. В последнее время предложено еще несколько методов. Среди них особого внимания заслуживает метод молекулярного зондирования. Он был, в частности, применен для определения пола у эмбрионов коровы. Суть метода такова. С использованием ферментов рестриктаз расщепляют молекулу ДНК Y-хромосомы и включают ее фрагменты в состав молекулы ДНК плазмиды. Затем плазмиду вводят в бактерии, где они реплицируются, получают клоны необходимых фрагментов ДНК, содержащие Y-специфичные участки. Таким образом, был выделен фрагмент ДНК Y-хромосомы и на его основе получен молекулярный зонд. Для обнаружения зонда при его объединении с идентичными участками Y-хромосомы в его состав включили молекулу биотина или радиоактивную метку. Для выявления присутствия биотина используют метод иммуноферментного анализа. Для определения пола зародыша от него отсекают 10—15 клеток трофобласта на 7—8-м дне развития, обрабатывают их молекулярным зондом с биотином и соответствующими антителами. Ядра эмбриональных клеток самцов приобретают при этом бурую окраску, четко видимую в микроскоп. При аналогичной обработке цвет ткани самок не меняется. Контрольные вопросы. 1. Каков механизм генетической детерминации пола у млекопитающих? 2. Какие известны формы генетического нарушения развития пола у разных видов животных? Каков их главный фенотипический эффект? 3. В чем состоят особенности наследования признаков, сцепленных с полом, и каково их практическое значение? 4. Какими методами можно добиться раннего определения пола и каковы возможности регуляции пола у животных? Лекция-11 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. План: ДОКАЗАТЕЛЬСТВА РОЛИ ДНК В НАСЛЕДСТВЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ До 40-х годов нашего столетия большинство ученых считали, что гены имеют белковую природу. Выдающийся русский исследователь Н. К. Кольцов высказал мысль о том, что хромосома — это гигантская биологическая молекула, обладающая свойством самоудвоения, и что все признаки и свойства организма обусловлены строением белка и взаимодействием его молекул. В 1927 г. Н. К. Кольцов подготовил базу для понимания ауторепродукции хромосом, что составляет в настоящее время основу молекулярной генетики. Казалось вероятным, что именно в белках заключена наследственная информация о развитии всех признаков и свойств организма. Однако проведенные в последующем эксперименты на микроорганизмах с применением новейших методов исследований, рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, меченых атомов и т. д. позволили установить, что генетическая информация сосредоточена в нуклеиновых кислотах. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА РОЛИ ДНК В НАСЛЕДСТВЕННОСТИ В 1928 г. Ф. Гриффит впервые получи^ доказательства возможной передачи наследственных задатков от одной бактерии к другой. Ученый вводил мышам вирулентный капсульный и ави-рулентный бескапсульный штаммы пневмококков. При введении вирулентного штамма мыши заболевали пневмонией и погибали. При введении авирулентного штамма мыши оставались живыми. При введении вирулентного капсульного штамма, убитого нагреванием, мыши также не погибали. В следующем опыте он ввел смесь живой культуры авирулентного бескапсульного штамма со штаммом убитого нагреванием вирулентного капсульного и получил неожиданный результат — мыши заболели пневмонией и погибли. Из крови погибших животных были выделены бактерии, которые обладали вирулентностью и были способны образовать капсулу. Следовательно, живые бактерии авирулентного бескапсульного штамма трансформировались — приобрели свойства убитых болезнетворных бактерий. В дальнейшем другими учеными были подтверждены результаты опытов Ф. Гриффита в условиях пробирки. Основываясь на этих опытах, в 1944 г. О. Эвери и его сотрудники Мак-Леод и Мак-Карги изучили роль разных веществ клетки в явлениях трансформации и получили убедительные доказательства того, что трансформирующим фактором является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Было установлено, что под действием дезоксирибонуклеазы — фермента, специфически разрушающего ДНК, активность трансформирующего фактора исчезла. В то же время рибонуклеаза и протео-литические ферменты не изменяли биологической активности трансформирующего фактора. Следующим доказательством генетической роли ДНК были эксперименты А. Херши и М. Чейза, проведенные с бактериофагом в 1952 г. Основные компоненты фага — ДНК и белок. ДНК фага была помечена радиоактивным фосфором (32Р), который включается только в ДНК. Белок фага пометили с помощью радиоактивной серы ("S), которая включается только в белок. После заражения бактерий мечеными фагами было установлено, что в клетку бактерии проникает только молекула ДНК, а белковая оболочка фага остается снаружи. Тем не менее в клетках зараженных бактерий образовалось множество зрелых частиц фага. Это говорило о том, что в ДНК заключена наследственная информация о всех признаках и свойствах фага. Опыты А. Херши и М. Чейза еще раз подтвердили, что наследственная информация заключена в молекулах ДНК и передается ими по наследству. В последующем было установлено, что у некоторых прокариот наследственная информация зашифрована в молекулах РНК. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Генетическая информация реализуется в процессе биосинтеза белков. Все основные свойства живых существ определяются структурой и функцией белковых молекул. В последние 40 лет в ряде лабораторий разных стран мира было выяснено, что синтез специфических белков предопределен генетически. Материальным субстратом наследственности является ДНК. В молекулах ДНК зашифрована наследственная информация о строении каждого белка. ДНК обеспечивает хранение и передачу генетической информации из поколения в поколение. Участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК, называется геном. Реализация наследственной информации осуществляется с участием рибонуклеиновых кислот (РНК). Белки — структурная основа всех клеток, органов и тканей организма. В сочетании с другими веществами они участвуют в формировании различного рода клеточных структур. Многочисленными исследованиями установлено, что белки различаются как у отдельных видов микроорганизмов, растений и животных, так и в пределах одного вида. Главные структурные элементы белковых молекул — 20 аминокислот. Специфика строения белковой молекулы определяется наличием определенных аминокислот и порядком их расположения в полипептидных цепях. К настоящему времени достигнуты значительные успехи в раскрытии химической структуры различных белков и полипептидов. Рассмотрим, как влияет содержание аминокислот и их чередование в полипептидных цепях гормонов гипофиза оксито-цина и вазопрессина на их биологическую роль. Эти гормоны включают по 9 аминокислотных остатков: окситоцин: цистеил — тирозил — изолейцил — глутамил — ас-парагил — цистеил — пролил — лейцил — глицин; вазопрессин: цистеил — тирозил — феншаланил — глутамил — аспарагил — цистеил — пролил — аргинил — глицин. Как видим, разница состоит только в том, что в окситоцине на третьем месте стоит аминокислота изолейцин, на восьмом лейцин, а у вазопрессина соответственно фенилаланин и аргинин. Эти небольшие изменения обусловили разную биологическую роль гормонов: окситоцин вызывает сокращение матки во время родов, а вазопрессин увеличивает кровяное давление. Обнаружено, что виды, породы и отдельные индивидуумы имеют незначительные специфические отличия в строении ферментов и других белковых молекул, выполняющих одинаковые функции. Однако имеется много случаев, когда незначительные изменения в структуре белка приводят к серьезным последствиям. Так, известно, что от 5 до 20 % коренного населения Африки, Индии и Средиземноморских стран имеют аномальный гемоглобин S, который отличается от нормального гемоглобина А только по одной аминокислоте. Ниже приведено чередование аминокислот на определенном участке гемоглобина А и S: гемоглобин А —лей-тре-про-глу-глу-лиз; гемоглобин S —лей-тре-про- Незначительные изменения в строении гемоглобина являются причиной тяжелого наследственного заболевания — серповидно-клеточной анемии. Эритроциты больных серповидноклеточной анемией имеют форму серпа, а не округлую, как в норме. |