Тема № 10: Генотип как система взаимодействующих генов

В генетике ген – это участок хромосомы, определяющий развитие одного или нескольких признаков. Совокупность всех признаков организма называется фенотипом, а совокупность всех генов – генотипом. Ген может находиться в доминантном, то есть сильном состоянии (А), всегда проявляющемся в фенотипе, или рецессивном, слабом состоянии (а). Рецессивный признак проявляется в фенотипе только у рецессивных гомозигот: аа. Доминантный признак проявляется в фенотипе как у доминантных гомозигот (АА), так и у гетерозигот (Аа).

Фенотипический признак (фен) – любое отдельное качество или свойство, по которому один индивид отличается от другого:

2. биохимические (уровень активности какого-либо фермента).

5. иммунологические (состояние иммунной системы).

Ген в отношении фена имеет следующие свойства:

1. дискретность – в своей активности ген обособлен относительно других генов. Разные признаки характеризуются разными генами.

2. специфичность – ген отвечает за формирование определенного признака или группы определенных признаков. Множественное действие генов называют плейотропным действием.

3. градуальность (дозированность) действия гена, т.е. степень проявления признака зависит от дозы аллеля.

4. разные гены могут влиять на формирование одного признака – это полигенное наследование. Чем больше этих генов, тем выраженнее признак, например у человека, пигментация кожи.

5. стабильность действия генов, которая обеспечивает видовое постоянство

признаков в ряду поколений. Стабильность относительна.

мутабельность – способность генов к мутациям, которая проявляется в наличии у генов двух или более аллельных состояний. Множественный аллелизм – это состояние, когда ген представлен двумя и более аллелями. Например, у человека - это наследование групп крови системы АВО (Н). Группы крови отличаются наличием антигенов на поверхности эритроцитов и антител в сыворотке.

7. гены могут обладать разной пенетрантностью – степенью фенотипического проявления гена. Пенетрантность может зависеть от пола, зиготности.

8. способность генов взаимодействовать в системе генотипа:

а) межаллельные (между аллельными генами): полное доминирование, неполное доминирование, кодоминирование.

б) межгенные (между неаллельными генами): комплементарность, эпистаз, полимерия, эффект положения гена.

Аллельные гены – это гены, расположенные в одинаковых локусах (местах) гомологичных хромосом и отвечающие за развитие одного и того же признака. Формы взаимодействия аллельных генов:

1. Полное доминирование: доминантный аллель полностью подавляет проявление рецессивного и по фенотипу доминантная гомозигота не отличается от гетерозиготы (например, у человека – цвет глаз, карие доминируют над голубыми: АА и Аа – карие глаза, аа – голубые).

2. Неполное доминирование (промежуточное наследование). Доминантный аллель не полностью подавляет проявление рецессивного аллеля и у гетерозигот признак занимает промежуточной положение (например, курчавые волосы – АА, гладкие волосы – аа, волнистые волосы – Аа).

3. Кодоминирование.Оба аллеля проявляют одинаковую функциональную активность в их сочетании появляется новый фенотипический признак (например, наследование 4 группа крови у человека).

Неаллельные гены – гены, которые расположены в разных локусах гомологичных хромосом (сцепленные гены) или в негомологичных хромосомах (свободнокомбинирующиеся гены) и, как правило, отвечающие за развитие разных признаков. Формы взаимодействия неаллельных, свободно-комбинирующихся генов:

1.Комплементарность (взаимодополнение). Это такая форма взаимодействия неаллельных свободнокомбинирующихся генов, при котором совместное присутствие в генотипе двух доминантных неаллельных генов обуславливает формирование нового варианта признака. При отсутствии одного из них или обоих, признак не воспроизводится. Например у человека нормальная речь и слух формируется только при наличии в генотипе генов А и В.

2. Эпистаз.Это форма взаимодействия неаллельных свободно-комбинирующихся генов, при которой один ген (эпистатический, супрессор, ингибитор, подавитель) подавляет функциональную активность другого (гипостатического) гена. Супрессором может быть и доминантный, и рецессивный ген. Этот тип взаимодействия наиболее характерен для генов, регулирующих работу генов в ходе онтогенеза и для генов иммунной системы человека.

3. Полимерия. Это форма взаимодействия неаллельных свободно-комбинирующихся генов, при которой за формирование одного признака отвечает несколько неаллельных генов. Пример, пигментация кожи у человека: негр – А1А1А2А2 (то есть все доминантные аллели), белый – а1а1а2а2 (то есть все рецессивные аллели). При всех остальных вариантах генотипа – мулаты.

Основные закономерности наследования были открыты Г. Менделем и сформулированы им в 1865 году в работе «Опыты над растительными гибридами». Признаки, которые наследуются в соответствии с законами Менделя – менделирующие.

Скрещивание по одной паре альтернативных (взаимоисключающих) признаков – моногибридное. Законы Менделя:

1. Правило единообразия гибридов первого поколения (правило доминирования): При скрещивании гомозиготных организмов, различающихся по одной паре альтернативных признаков, все потомство будет единообразным как по фенотипу, так и по генотипу.

2 правило расщепления признаков во втором гибридном поколении: При скрещивании двух гетерозиготных организмов в потомстве наблюдается расщепление в соответствии 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.

3. Дигибридное скрещивание. Правило независимого комбинирования признаков: При скрещивании гомозиготных организмов, анализируемым по двум или более парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое комбинирование признаков и соответствующих им генов разных аллельных пар при условии, что гены, контролирующие эти признаки, локализованы в разных парах гомологичных хромосом.

Вопросы для самоконтроля:1. Дайте определения гено и фенотипа.

2. Напишите генотипы доминантной и рецессивной гомозигот, гетерозиготы.

4. Дайте определение аллельных и неаалельных генов, перечислите формы их взаимодейтсвия

5. Напишите генотипы всех групп крови человека по системе АВО(Н).

Изменчивость – это способность организмов приобретать новые или утрачивать прежние признаки или свойства. В зависимости от реакции генотипа изменчивость подразделяется на ненаследственную, без изменения структуры генотипа (модификации и морфозы) и наследственную, с изменением структуры генотипа (комбинативная и мутационная).

Модификация – это изменение степени выраженности признаков в фенотипе, в пределах нормы реакции, под влиянием факторов окружающей среды или в зависимости от этапов онтогенеза. Модификационная изменчивость позволяет организму приспособится к конкретным условиям окружающей среды. Норма реакции – это пределы, в котором возможны варьирование (изменение) проявления признака данного генотипа. Норма реакции может быть однозначной, то есть признак не зависит от действия факторов окружающей среды (например, группы крови), узкой (например, пигментация кожи) или широкой (уровень артериального давления, масса тела и др.). Свойства модификаций:

Генетическая основа модификаций - изменение степени функциональной активности генов или типа их взаимодействия, но механизмы этого вида изменчивости изучены не достаточно.

1. Сезонные – изменение степени выраженности признаков в зависимости от времени года. Примеры: изменение пигментации кожи человека (появление загара летом), окраски шерсти у зайца и др.

2. Экологические - формирование фенотипов в конкретных климатических условиях. У людей различают 9 экологических адаптивных типов. На севере формируется арктический адаптивный тип, для которого характерны относительно низкий рост, мощное развитие жировой ткани, повышенный уровень гемоглобина и эритроцитов и др.

3. Онтогенетический – изменение признаков в зависимости от этапов онтогенеза (смена зубов, изменение пигментации волос и др.).

Интенсивность модификационных изменений пропорциональна степени силы действия фактора, её вызывающего. Отрезок времени, в течение которого можно вызвать модификацию определённого признака, называют модификационным периодом. Ряд признаков обладает большим модификационным периодом, у других он более короткий.

Морфозы – это изменение степени выраженности признаков в фенотипе, выходящее за пределы нормы реакции, под влиянием факторов окружающей среды. Морфозы могут возникнуть только в эмбриональный период развития и фенотипически проявляются врождёнными пороками развития (ВПР). Факторы окружающей среды, приводящие к возникновению ВПР, называют тератогенами. Тератогены подразделяют на физические (все виды ионизирующей радиации, гипертермия и др.), химические (пестициды, лекарственные препараты, никотин, консерванты и др.) и биологические (вирусы герпеса, краснухи, гриппа, эпидемического паротита, ветряной оспы, полиомиелита, гепатита, цитомегаловирусы, протозойная инвазия (токсоплазма)). Примером тератогенного воздействия на плод является синдром краснушного поражения плода: поражение глаз (катаракта, ретинопатия и др.), глухота, микроцефалия, задержка психомоторного развития различной степени выраженности вплоть до формирования умственной отсталости, врождённые пороки сердца.

Комбинативная изменчивость – это перекомбинация генов у потомков по сравнению с родителями без изменения структуры генетического материала. Механизмы:

2. Независимое расхождение гомологичных хромосом и хроматид к полюсам деления в ходе мейоза

3. Случайное сочетание гамет при оплодотворении.

В результате данной изменчивости каждый человека, за исключением монозиготных близнецов, является генетической и, соответственно, фенотипической индивидуальностью.

Механизмы комбинативной изменчивости человека имеют важное эволюционное значение, создавая генетическое многообразие популяций человека за счёт новых комбинаций генов, которые могут закрепляться в ходе естественного отбора. Вместе с тем комбинативная изменчивость может обусловить наследственную патологию, в основе которой заложена различная комбинация мутантных генов или нарушение регуляторных связей между генами.

Мутационная изменчивость. Мутация – это внезапное, стойкое, скачкообразное изменение в структуре генотипа, сопровождающееся изменением фенотипического признака, и передающееся по наследству. Эволюционное значение мутаций – это единственный фактор, поставляющий новые аллельные состояния генов и новые гены в популяции и приводящий к их первичному генетическому разнообразию, что делает возможным естественный отбор и эволюцию. С другой стороны мутации – это основа наследственной патологии, в том числе и человека. Мутагенез – это процесс формирования мутаций под действием факторов окружающей среды - мутагенов. Мутации могут возникать спонтанно, без видимых на то причин, но под влиянием внутренней условий в клетке, и в организме в целом. Это спонтанный мутагенез. Общее число мутантных гамет у человека: 10 - 20%.

Факторы, предрасполагающие к спонтанному мутагенезу:

1) возраст: у женщины старше 35 лет, у мужчин старше 45 лет. С возрастом у мужчин повышается вероятность генных мутаций (изменение структуры ДНК), а у женщин – геномных (изменение количества хромосом)

2) эмоционально-стрессовое воздействие. При стрессе ускоряется метаболизм и увеличивается образование свободных радикалов, обладающих мутагенным действием

3) особенности структуры гена. Чем больше ген, чем меньше в нём интронов, тем больше скорость его мутирования.

Мутации, возникшие под влиянием факторов химической или иной природы, сила воздействия которых, заведомо превышает допустимые пределы – это индуцированный мутагенез.

1) физические мутагены – все виды ионизирующих излучений, ультрафиолет, гипертермия (свыше 38 градусов), электромагнитные излучения.

2) химические мутагены. Всего зарегистрировано 50-60 тыс. химических соединений и 5-10% от этого количества обладают мутагенной активностью. Это и вещества применяемые в промышленности (фенол, формальдегид и др.), консерванты, красители, подсластители, большинство лекарственных препаратов и т.д.

3) биологические мутагены – вирусы (герпеса, цитомегаловирусы и др.).

А) генные мутации – это любое изменение в нуклеотидной последовательности ДНК ядра, вне зависимости от локализации и влияния на жизнеспособность организма. Виды генных мутаций:

1) мутации замены: миссенс-мутация – замена одного смыслового кодона на другой, в результате в белке меняется только одна аминокислота, и нонсенс-мутация – замена смыслового кодона на один из 3 нонсенс-кодонов, в результате чего белок или не синтезируется или синтезируется аномально коротким.

2) мутации типа сдвига рамки считывания, обусловленные выпадением, дупликацией или вставкой (инсерция) нуклеотидов. В результате в белке меняется вся аминокислотная последовательность с места мутации и образуются белки с новыми свойствами.

Применительно к генам все аллели делятся на 2 группы: нормальные аллели или аллели дикого типа – те варианты, которые не нарушают работу генов; и мутантные аллели – те варианты, которые нарушают работу генов. Для любых генов, аллели дикого тип являются преобладающими. Генные мутации лежат в основе моногенных заболеваний человека.

Б) цитоплазматические мутации – это изменение структуры ДНК митохондрий. Это основа митохондриальных болезней.

В) динамические мутации или мутации экспансии. Эти мутации открыты только у человека и были обнаружены в 1991 году. Данные мутации связаны с увеличением числа тринуклеотидных повторов в определённых участках генов. Число этих повторов отличается нестабильностью и колеблется в довольно больших пределах, не вызывая фенотипических изменений. Болезнь возникает, когда число повторов превышает определённый, критический уровень. Наследование этих мутаций отличается от классического менделевского наследования.

2) Клеточный уровень. На этом уровне различают геномные, связанные с изменением числа хромосом, и структурные (аберрации), связанные с нарушением в строении хромосом, мутации.

А) геномные мутации подразделяются на полиплоидию – изменение числа хромосом кратное гаплоидному, и анеуплоидию – изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору хромосом. Среди животных полиплоидия встречается крайне редко – некоторые насекомые и ракообразные. У млекопитающих и человека полиплоидия с жизнью несовместима, она является причиной спонтанного прерывания беременности и мёртворождений. Механизм возникновения полиплоидии – нарушения процессов оплодотворения (полиспермия).

Полиплоидия широко распространена в мире растений (такие растения более крупные, имеют большую плодовитость, но размножаются только вегетативном способом), большая часть культурных растений – полиплоиды.

Анеуплоидия возникает в результате нарушения процессов расхождения хромосом в мейозе, преимущественно у женщин. Самые частые варианты анеуплоидии – это трисомии (в паре хромосом их не 2, а 3) и моносомии (от пары хромосом остаётся только одна хромосома). Анеуплоидия лежит в основе хромосомных синдромов, например синдром Дауна - это трисомия по 21 паре хромосом, а синдром Шерешевского-Тёрнера – это моносомия по половым хромосомам.

Б) Аберрации делятся на внутрихромосомные (нарушено строение только одной хромосомы) и межхромосомные (транслокации)– взаимный обмен, участками хромосом с потерей или без генетического материала (несбалансированные и сбалансированные транслокации). Хромосомные аберрация вероятно явились существенным моментом эволюции человека. Так хромосома № 2 у человека – это результат транслокации двух обезьяньих (шимпанзе) хромосом. Основная причина возникновения аберраций – это нарушение кроссинговера. Аберрации могут лежать в основе хромосомных синдромов и онкологических заболеваний.

3) Тканевой уровень: соматические и генеративные мутации (мутации в половых клетках).

4) Организменный уровень. На данном уровне мутации подразделяются по признаку на морфологические, физиологические и т.д.; по состоянию гена на доминантные и рецессивные мутации; а также на прямые (от дикого типа к новому мутантному типу) и обратные (мутации возвращающие мутантные аллели в обратное дикое, то есть нормальное состояние).

5) Популяционный уровень. Основная масса мутаций на этом уровне - это нейтральные мутации, которые увеличивают генетическое разнообразие популяций и не влияют на жизнеспособность и плодовитость организма. Наиболее редко возникают полезные мутации, повышающие жизнеспособность организма, как правило, в разряд полезных переходят нейтральные мутации при изменении условий среды обитания (например, устойчивость к ВИЧ-инфекции, туберкулёзу и т.д.). Вредные мутации (летальные и полулетальные) – снижающие жизнеспособность и плодовитость организма. Это основа наследственных заболеваний. Как правило, вредные мутации удаляются из генофонда популяций под действием естественного отбора, но если эти мутации в гетерозиготном состоянии дают определённые преимущества, то они сохраняются и передаются из поколения в поколение. Так гетерозиготы по гену серповидноклеточной анемии (в гомозиготном состоянии смертельное заболевание) заболевают малярией в 15 раз реже, чем гомозиготы по нормальному гену. В связи с этим ген данного заболевания широко распространён в странах с тропическим и субтропическим климатом, то есть в тех странах, где встречается малярия.

Антимутагенез – это общебиологический процесс подавления мутационного процесса под действием ряда веществ – антимутагенов. Антимутагены не обладают универсальностью действия, то есть способны подавлять действие одних мутагенов, а в отношении других не активны или даже обладают комутагенной активностью (способностью усиливать мутагенное действие). В настоящее время выделено около 200 органических и неорганических веществ, обладающих антимутагенной активностью. К этим веществам относятся кисломолочные продукты, зелёный чай, чеснок, лук, капуста и другие растения семейства крестоцветных, зелёные яблоки, селен, витамин С и др.

Вопросы для самоконтроля:1. Сформулируйте определение изменчивости.

2. Составьте схему классификации форм изменчивости и дайте характеристику каждой из них.

3. Дайте определение мутагенов и приведите их классификацию с примерами.

4. Дайте оценку эволюционной роли и медицинского значения мутаций.

6. Назовите механизмы комбинативной изменчивости.

8. Объясните разницу между спонтанным и индуцированным мутагенезом.

9. Перечислите уровни мутационного процесса.

10. Дайте определение и приведите примеры антимутагенов.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: