Уровни организации генетического аппарата эукариот

В современном мире жизни материальным носителем свойств наследственности и изменчивости является ДНК, «выигравшая» историко-эволюционное «соревнование» у РНК. Этому способствовали:

ü большая химическая стабильность

ü особенности макромолекулярной и надмолекулярной организации ДНК (какие?).

  В генетическом аппарате эукариотической клетки выделяют три уровня структурной и одновременно функционально-генетической организации: генный, хромосомный и геномный. На каждом из них решаются свои специфические задачи реализации наследственности и изменчивости.

Генный уровень

  Ген – функциональная единица генетического аппарата, определяющая возможность развития отдельно взятого признака клетки или организма.

  Именно так определяет понятие «ген» (по Г. Менделю – наследственный задаток) классическая (домолекулярная) генетика.

  С развитием генетики возник ряд версий определения гена, как правило, конкретизирующего характера. Так, два наиболее значимых определения более позднего времени характеризуются как биохимическое и молекулярно-биологическое.

Биохимический подход в изучении природы элементарных фенотипических признаков, контролируемых напрямую генами, привел в 1950-е годы к заключению, что таковыми являются ферменты. Появился тезис «один ген – один фермент». Соответственно ген стали определять, как участок макромолекулы ДНК, контролирующий образование конкретного белка-фермента (биохимическое определение гена)

  Согласно молекулярно-биологической версии ген – фрагмент макромолекулы ДНК, в котором содержится информация об аминокислотной последовательности полипептида или нуклеотидной последовательности РНК.

  Молекулярно-биологическое определение гена в наибольшей степени соответствует понятию «структурный (смысловой, кодирующий, экспрессируемый) ген».

  Молекулярно-генетическая версия определения гена НЕ ПРОТИВОРЕЧИТ ни функционально-генетической (классической), ни биохимической версии. Она лишь указывает на необходимость определенных дополнений.

   Проект «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА» показал, что нуклеотидные последовательности, отвечающие молекулярно-биологическому определению гена, составляют не более 5% от суммарного количества ДНК.

   В настоящее время популярность приобретает термин «сайт». Это нуклеотидная последовательность, занимающая конкретное место в биспирали ДНК определенной хромосомы. В известной мере термин «сайт» можно рассматривать как синоним термина «локус» классической генетики.

  Результат генетической активности состоит в определенном фенотипическом проявлении, т.е. в возникновении признака. Под признаком в генетике понимают единицу морфологической, физиологической, биохимической, иммунологической и любой другой дискретности клетки (организма).

Одно время распространение приобрел тезис «один ген – один полипептид». Открытие генов - «матрешек», когда структурный ген меньшего размера размещается в пределах другого более крупного гена, делает этот тезис имеющим ограниченное распространение.

   Свойства гена.

   Ген как функционально-генетическая единица наследственности наделен рядом свойств:

Специфичность действия:

конкретный ген обусловливает возможность присутствия в фенотипе конкретного признака. Известно, однако, немало примеров ПЛЕЙОТРОПИИ или ПЛЕЙОТРОПНОГО ДЕЙСТВИЯ ГЕНА (от греч. pleion - более многочисленный и tropos - поворот, направление). Оно состоит в том, что один структурный ген контролирует образование в организме нескольких (или даже многих) признаков.

2.  Корпускулярная природа и дискретность действия:

 В силу дискретности (discretus – раздельный, прерывистый) генов возможны, с одной стороны, независимое наследование признаков, а с другой – генные или точковые мутации, затрагивающие в своем фенотипическом выражении отдельно взятые признаки. Корпускулярная природа и свойство дискретности генов составляют основу независимого комбинирования признаков родителей в фенотипе потомства, т.е. их независимое друг от друга наследование.

Пример: замена глутаминовой кислоты в положении 6 валином в глобине гемоглобина человека приводит к появлению аномального гемоглобина и клинически проявляется в виде серповидноклеточной анемии (склеивание клеток и нарушение циркуляции крови, что в свою очередь, из-за локальных нарушений кровообращения органов, приводит к сердечной недостаточности, пневмонии, ревматизму, почечной недостаточности, поражению головного мозга и параличу).

3.  Дозированность действия:

 если фенотипический признак имеет количественное выражение, то его количество обычно пропорционально числу доминантных аллелей гена.

    Пример: содержание витамина А в исходно триплоидных клетках эндосперма растений пропорционально количеству доминантных аллелей соответствующего гена и убывает в ряду генотипов ААА, ААа, Ааа и ааа.

Тем не менее, эволюция создала механизм полигенного наследования количественных признаков с участием нескольких или даже многих генов, характеризующихся аддивностью, т.е. суммированием действия.

  Для характеристики степени выраженности признака (или вероятности его проявления в фенотипе организма при наличии в генотипе) в генетике используют понятие экспрессивности.

  Экспрессивность – это степень выраженности рассматриваемого признака в % по отношению к его максимальной выраженности среди всех особей с данным генотипом.

Аллельное состояние генов. Формы взаимодействия аллельных генов

Гены характеризуются свойством аллельного состояния. По существу, аллели гена – это его альтернативные (по фенотипическому проявлению) формы.

 В настоящее время аллели – это варианты нуклеотидной последовательности участка молекулы ДНК, соответствующего, например, структурному гену. Количество альтернативных форм (аллелей) от гена к гену варьирует.

Минимальное их число равно 2. У широко используемого в генетике биологического объекта – плодовой мушки (дрозофила) ген окраски глаз имеет порядка 1400 аллелей – множественный аллелизм. Ген, определяющий группу крови человека в системе АВО, имеет 3 аллеля, в системе резус-фактор (Rh) – 2.

Между аллельными вариантами гена существуют функционально-генетические отношения, определяемые как формы взаимодействия аллельных генов. Типичные (наиболее частые) варианты отношений (форм взаимодействия):

ü доминирование (от лат. dominos –господствующий), рецессивность (от лат. recessus – отступающий)

ü кодоминирование (от лат.co - c, вместе и доминирование) – участие обоих аллелей в определении признака у гетерозиготной особи; частный случай доминантности.

ü неполное доминирование (промежуточное наследование).

Характер межаллельных отношений проявляется в фенотипах диплоидных организмов, для которых известны состояния гомозиготности и гетерозиготности.

Доминантные признаки воспроизводятся в каждом поколении по соответствующему гену организмов.

Рецессивные признаки наблюдаются при отсутствии доминантного аллеля. Такой вариант обнаруживается не в каждом поколении.

  При кодоминировании у гетерозигот оба аллеля в равной мере участвуют в определении варианта признака.

  Пример: кодоминирование аллелей у людей наблюдается в наследовании групп крови АВО. Группы крови О(I), А(II), B (III) и АВ(IV) определяются геном I, имеющим три аллеля – I^A, I^B, и I^O. Аллель I^o относительно аллелей I^A и I^B проявляет свойство рецессивности. Аллели I^A и I^B кодоминантны, чем и объясняется наличие группы крови I^AI^B или АВ(IV).   

  При неполном доминировании наличие рецессивного аллеля у гетерозигот препятствует фенотипическому проявлению доминантного аллеля в полном объеме.

  Пример: неполное доминирование наблюдается у людей-гетерозигот по аллелю серповидноклеточности эритроцитов (мутация Hb ά 2 β 26 Глу → Вал), 60-65% гемоглобина которых имеет нормальную структуру, а 35-40% функционально дефектную, мутантную – в полипептиде в 6-м положении аминокислота глутиминовая заменена на аминокислоту валин. Такие субъекты жизнеспособны и чувствуют себя комфортно за исключением ситуаций повышенной физической активности, в условиях высокогорья, при полетах на больших высотах или в холодное время года, когда в связи с развитием в организме состояния кислородной недостаточности они ощущают боли в суставах, в области сердца и селезенки.

  Свойства доминантности и рецессивности аллелей могут носить относительный характер – «неустойчивая доминантность», что зависит от ряда факторов, природа и механизмы которых не всегда понятны.

   Примеры: