Хронология важнейших достижений в области генетики

Гибридологический метод

Метод изучения наследования был разработан Грегорем Менделем в 1865 г. На протяжении столетий предшественники Менделя изучали наследование совокупности всех признаков у гибридного потомства. Г.Мендель положил в основу изучения наследования новый принцип: анализ наследования отдельных пар признаков в потомстве скрещиваемых растений одного вида, отличающихся по одной, двум и трем парам контрастных, альтернативных признаков. Например, цветки пурпурные и белые, форма семян гладкая и морщинистая и т.п. В каждом поколении велся учет отдельно по каждой такой паре альтернативных признаков, без учета других различий между скрещиваемыми растениями.

Вторая особенность этого метода заключалась в использовании количественного учета гибридных растений, различающихся по отдельным парам альтернативных признаков, в ряду последовательных поколений.

Третьей особенностью метода Менделя было применение индивидуального анализа потомства от каждого гибридного растения.

Перечисленные простые приемы исследования и составили принципиально новый гибридологический метод изучения наследования, открывший целую эпоху в изучении наследственности и изменчивости. Совокупность генетических методов изучения наследования называют генетическим анализом.

Для генетического анализа наследования определенных признаков при половом размножении необходимо производить скрещивание двух особей разных полов. Скрещивание обозначают в генетике знаком умножения (x). При написании схемы скрещивания принято на первом месте ставить женский пол. Женский пол обозначают знаком X, мужской - Y.

Родительские организмы, взятые для скрещивания, обозначают латинской буквой Р. Потомство от скрещивания двух особей с различными признаками называют гибридным, а отдельную особь - гибридом. Гибридное поколение обозначают для краткости буквой F с цифровым индексом, соответствующим порядковому номеру гибридного поколения. Так, первое поколение будет F₁; если гибридные особи скрещиваются между собой, то их потомство обозначают F₂, третье поколение - F₃ и т.д.

Гибриды, получаемые от скрещивания особей одного вида, называют внутривидовыми. Существуют, кроме того, межвидовые, или отдаленные, гибриды, происшедшие от скрещивания организмов разных видов или родов. К таким гибридам относят, например, потомство от скрещивания пшеницы с рожью, лошади с ослом и т.п.

Наследственные факторы

Если растения второго поколения подвергаются самоопылению, то те из них, которые имеют белые цветки (рецессивный признак), в следующих поколениях F₃, F₄ и т.д. - воспроизводят потомство только с белыми цветами. Растения с пурпурными цветками (доминантный признак) ведут себя иначе. Лишь ¹/₃ из них при самоопылении дает в F₃ и следующих поколениях только растения с пурпурными цветками, а остальные ²/₃ вновь дают расщепление такое же, как в F₂, т.е. на 3 растения с пурпурными цветками 1 - с белыми. Аналогичным образом будет воспроизводиться каждое следующее поколение.

Итак, гибрид первого поколения имеет лишь один из контрастных родительских признаков, а второй - рецессивный отсутствует, но он вновь появляется у ¹/₄ части растений второго поколения. Из этих фактов Мендель сделал вывод о том, что наследуются не сами признаки, а наследственные задатки, или факторы их определяющие. В таком случае отсутствие признака белой окраски цветка у гибрида F₁ и появление его у части растений F₂ вполне объяснимо, если предположить, что растения F₁ имели не проявившийся задаток белой окраски и передали его потомству (F₂).

Эти задатки являются постоянными и в неизменном виде передаются из поколения в поколение. Впоследствии эти наследственные факторы, определяющие развитие того или иного признака, были названы генами. Под термином «ген» принято понимать единицу наследственности, определяющую развитие отдельного признака или свойство организма.

Мендель предложил обозначать наследственные задатки буквами латинского алфавита, доминантный задаток большой буквой (например А), а рецессивный - той же маленькой буквой (а). У каждого организма эти задатки являются парными, так один из них происходит от матери, а второй - от отца.

Пара генов, определяющих альтернативные признаки, называется аллеломорфной парой, а само явление парности - аллелизмом. Каждый фактор или ген имеет два состояния А и а, поэтому они составляют одну пару, а каждый из членов пары называется аллелью. Например, пурпурная и белая окраски гороха являются доминантным и рецессивным признаками, соответственно двум аллелям (доминантной и рецессивной) одного гена.
Рассмотрим еще раз наследование окраски цветка гороха, но уже с учетом поведения аллелей гена. Обозначим доминантную аллель пурпурной окраски А, а белой - а. Тогда исходные растения с пурпурными цветками имеют аллели АА, с белыми - аа. В каждой паре аллелей данного гена одна имеет материнское, другая - отцовское происхождение. В гаметы попадает лишь одна аллель из двух, вследствие чего каждое родительское растение дает лишь один сорт гамет или А, или а. Гибрид первого поколения, получив от отцовского и материнского организмов аллели А и а, имеет такую же пурпурную окраску цветков, как и материнское растение (АА), но по совокупности наследственных задатков от него отличается. Следовательно, при одном и том же проявлении признака наследственные задатки могут быть разные (АА и Аа).

Поэтому внешнее проявление признака, или, более общая совокупность свойств и признаков организма называют фенотипом.

Совокупность наследственных задатков, которые определяют развитие признаков, называют генотипом.

Таким образом, в рассмотренном примере материнское растение и гибрид F₁ имеют одинаковый фенотип - пурпурную окраску цветков, но генотипы у них разные - АА и Аа (рис. 9)

.

 

Рис. 9. Схема, иллюстрирующая поведение пары

гомологичных хромосом при моногибридном скрещивании:

А - фактор пурпурной окраски цветка; а - фактор

белой окраски

 

Организмы, имеющие одинаковые аллели одного гена, например, обе доминантные (АА) или обе рецессивные (аа), называют гомозиготными или гомозиготами. Организмы, имеющие разные аллели одного гена - одну доминантную, а другую рецессивную (Аа), называют гетерозиготными или гетерозиготами. Таким образом, в разобранном примере, исходные родительские растения - гомозиготы АА и аа, а гибрид - гетерозигота Аа. В отличие от гомозиготных родительских организмов гибридные растения F₁ дают два сорта яйцеклеток и пыльцы - А и а.

Для облегчения расчета сочетаний разных типов гамет английский генетик Р.Пеннет предложил производить запись в виде решетки, которая и вошла в литературу под названием решетки Пеннета. По левой вертикали располагаются женские гаметы, по верхней горизонтали - мужские. В квадраты решетки вписываются образующиеся сочетания гамет. Эти сочетания соответствуют генотипам зигот. Решетка Пеннета особенно удобна при анализе наследования признаков сложных гибридов.

 

Хронология важнейших достижений в области генетики

1865- Грегор Мендель делает доклад Опыты над растительными гибридами (опубликован в 1866)

1869 - Иоганном Фридрихом Мишером была открыта ДНК

1882 - немецкий анатом В.Флеминг обнаружил во всех клетках во время митоза палочковидные тельца

1888 - немецкий гистолог Х.Вальдейер для их обозначения предложил термин «хромосома»

1902 - Т. Бовери и У.Сеттон независимо друг от друга первыми выдвинули гипотезу о генетической роли хромосом (хромосомы являются носителями наследственности).

1905 - Уильям Бэтсон вводит термин генетика.

1910 - Томас Хант Морган доказывает, что гены расположены в хромосомах.

1913 - Альфред Стертевант составляет первую генетическую карту хромосомы.

1927 - Для обозначения изменений в генах введен термин мутация.

1928 - Фредерик Гриффит обнаруживает молекулу наследственности, которая передается от бактерии к бактерии

1941- Эдвард Тейтум и Джордж Бидл и показывают, что в генах закодирована информация о структуре белков.

1944 - Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти выделяют ДНК (тогда его называли трансформирующим началом (transforming principle)).

1950 - Эрвин Чаргафф показывает, что, хотя доля нуклеотидов в ДНК не постоянна, наблюдаются определенные закономерности (например, что количество аденина, A, равно количеству тимина, T: (Правило Чаргаффа).

1952 - Эксперимент Херши-Чейза доказывает, что генетическая информация бактериофагов (и всех других организмов) содержится в ДНК.

1953 - Структура ДНК (двойная спираль) расшифрована Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком с помощью Розалин Франклин

1956 - Jo Hin Tjio и Алберт Леван впервые верно устанавливают Хромосомное число человека: 46 хромосом в диплоидном наборе.

1958 - Эксперимент Мезельсона-Шталя показывает, что удвоение ДНК носит полуконсервативный характер.

1961 - Выяснено, что генетический код состоит из триплетов.

1970 - При изучении бактерии Haemophilius influenzae обнаружены ферментырестриктазы, которые позволяют вырезать и встраивать участки молекул ДНК.

1977- ДНК секвенирована впервые независимо Фредом Зангером, Уолтером Гилбертом и Аланом Максемом.

1983 - Кэри Бэнкс Меллис открывает Полимеразную цепную реакцию, открывающую возможности простой и быстрой амплификации ДНК.

1989 - Впервые секвенирован ген человека (Френсис Коллинс и Лап-Че Цуи). Ген кодирует белок CFTR. Дефекты в последовательности гена приводят к развитию опухолей.

1995- Впервые полностью секвенирован геном организма невирусной природы - бактерии Hatmophilus influenza.

1966- Впервые полностью секвенирован геном эукариотного организма - пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

1998 - Впервые полностью секвенирован геном многоклеточного эукариотного организма – нематоды C.elegans.

2001 - Обнародованы первые наброски полной последовательности генома человека одновременно Проектом «Геном человека» (Human Genome Project) и Celera Genomics.

2003 -Проект «Геном человека» успешно завершен: 99 % генома секвенировано с точностью 99.99%.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Когда генетика как наука была выделена из биологических наук?

2. Какие открытия в биологии предшествовали становлению генетики?

3. Какие периоды можно выделить в истории генетики?

4. Как развивалась генетика в России?

5. Назовите имена ученых, внесших вклад в развитие рыбоводства.

 

МАТЕРИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

 

Согласно положению клеточной теории, новая клетка может появиться только из клетки. При этом, деление клетки связано с процессом распределения хромосом, которые формируются при распаде нуклеолеммы.

Раздел генетики, изучающий вопросы строения и функционирования материальных ос­нов наследственности и изменчивости называется – цитогенетика. Основной предмет исследований цитогенетики - хромосомы, их организация, функционирование и наследование. Внехромосомную (цитоплазматическую) наследственность изучает раздел генетики, называемый клеточной генетикой. Цитогенетика использует методы генетики и цитологии и тесно связана с разделами этих наук - молекулярной генетикой, цитохимией, кариологией и другими.

В настоящее время выделяют три уровня организации наследственных структур у различных организмов (генный, хро­мосомный, геномный). Для понимания закономерностей наследственно­сти необходимо иметь подробные сведения по трем частично взаимосвязанным разделам:

1) по морфологическому и химическому строению хромо­сом и кариотипа в целом;

2) по дискретным признакам организма, контролируемым единичными генами («инвента­ризация» единиц наследственной изменчивости);

3) по «ар­хитектонике» генов в хромосомах (сцепление генов и кар­ты хромосом).

В природе существует два способа размножения, бесполое и половое. Они принципиально отличаются друг от друга. При бесполом размножении одна клетка делится, воспроизводя целый организм. При половом размножении, как правило, две половые клетки (мужская и женская) соединяются и дают начало одной клетке (зиготе), которая затем уже делится и воспроизводит организм.

Указанные два способа размножения имеют общее: организм развивается из одной клетки.

Соматические и половые клетки многоклеточных животных и растений и одноклеточные организмы в принципе сходны по своему строению (рис. 1).
Они состоят из клеточной мембраны и протоплазмы. Протоплазма представлена ядром и цитоплазмой, содержащей различные органоиды (органеллы). Помимо общих для всех клеток структур, они обладают и рядом общих функциональных особенностей: использование и превращение энергии, синтез макромолекул из более простых веществ, самовоспроизведение и деление.

 

Рис. 1 Схема строения клетки

(по данным электронной микроскопии)

 

Общая морфология хромосом лучше всего выявляется при делении клетки на стадии метафазы или ранней анафазы, когда хромосомы наиболее укорочены и находятся в экваториальной плоскости. В это время хорошо видно, что они различаются по форме и величине. Форма каждой хромосомы определяется главным образом положением первичной перетяжки, где располагается центромера (рис. 2). Местоположение центромеры в разных хромосомах может быть различным, но оно постоянно и типично для каждой хромосомы. У некоторых хромосом имеются вторичные перетяжки - морфологический признак, позволяющий идентифицировать отдельные хромосомы в наборе. От первичной перетяжки отличаются отсутствием заметного угла между сегментами хромосомы.

Рис 2. Строение хромосом

 

Вторичные перетяжки бывают короткими и длинными и локализуются в разных точках по длине хромосомы. Эти зоны называют зоны ядрышка (организаторы ядрышка). У человека вторичные перетяжки имеют 9, 13, 14, 15, 21 и 22 хромосомы.

Некоторые хромосомы имеют сателлит (спутник) - это округлое или удлинённое тельце, отделённое от основной части хромосомы тонкой хроматиновой нитью, по диаметру равный или несколько меньший хромосоме. Хромосомы, обладающие спутником принято обозначать SAT-хромосомами. Форма, величина спутника и связывающей его нити постоянны для каждой хромосомы.

Если центромера располагается в длинной хромосоме посередине, то в метафазе такая хромосома выглядит, как равноплечая V-образная, или метацентрическая (рис. 3, а). Если цетромера делит хромосому на два неравных участка, то образуются или слабо неравноплечая - субметацентрическая (рис.3, б), или резко неравноплечая - субметацентрическая хромосома (рис.3, в, г, д). Предполагают, что ценромера никогда не бывает на самом конце хромосомы. Концевые сегменты хромосом названы теломерами. Участок хромосомы, располагающийся ближе к центромере, называют проксимальным, а отдаленный - дистальным.

Хромосомы различаются не только по морфологии, но и по величине. Дли­на их варьирует от 0,2 до 50 мк; диаметр от 0,2 до 5 мк (или 200-500 А). Однако длина каждой определенной хромосомы относительно постоянна. Таким об­разом, каждая хромосома индивидуальна.

Совокупность особенностей хромосомного набора (число хромосом, их форма, размеры и другие признаки) является важнейшей характеристикой вида. Учитывая морфологию и величину хромосом, в клетке их можно точно идентифицировать, а для удобства изучения при­сваивать им определенные номера, что и было сделано для хромосом человека и некоторых других организмов.

К настоящему времени хромосомные наборы изучены примерно у 1400 видов рыб. Для многих видов составлены кариограммы - распределение и систематизация хромосом по форме и размерам.

Рис. 3. Типы метафазных хромосом

 

Вопросы для самопроверки:

1. Какие молекулы участвуют в формировании хромосом?

2. Дайте определение «кариотипа»?

3. В каком году окончательно определили количество хромосом кариотипа человека?

4. По каким признакам идентифицируют хромосомы клетки у различных организмов?

5. Чем отличаются хромосомы прокариот и эукариот?

6. Какие методы используют при изучении строения хромосом?

 

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСПОЛОГО РАЗМНОЖЕНИЯ

 

В основе бесполого и вегетативного размножения организмов лежит универсальный процесс - деление клетки. Деление клетки - центральный момент размножения организмов. В результате из одной клетки возникают две.

Этот процесс состоит из двух основных этапов: деление ядра - митоз (кариокинез) и деление цитоплазмы - цитокинез.

В жизненном цикле клетка проходит шесть последовательных стадий: интерфазу, профазу, прометафазу, метафазу, анафазу и телофазу. Все эти стадии составляют один митотический цикл, разделяемый на интерфазу и митоз.

Фазы митоза характеризуются определенными процессами (рис. 4). Профаза - самая длинная фаза митоза. Она начина­ется, когда хроматин клеточного ядра концентрируется, образуя отдельные хромосомы. Так как во время интерфазы происходит репликация ДНК, то каждая хромосома со­стоит из двух идентичных нитей, называемых хроматидами.

 

Рис. 4 Схема митоза в живой клетке

 

В поздней стадии профазы центриоли двигаются к противоположным полюсам клетки, между центриолями видны нити веретена. Нуклеарная мембрана начинает разрываться и исчезает по мере того, как клетка проходит позднюю стадию профазы.

Следующая фаза митоза - метафаза. На этой стадии пары хроматид располагаются вдоль экватора клетки, так называемой метафазной, или экваториальной пластинки. Хроматиды соединяются у центра хромосом, и это место соединения называется кинетохором.

На стадии анафазы ДНК в кинетохоре дублируется, а хроматиды разделяются. Каждая хроматида теперь яв­ляется хромосомой. Разделившиеся хромосомы расходятся к полюсам клетки.

Стадия телофазы сигнализирует об окончании митоза и непос­редственно предшествует цитокинезу. Нити веретена в этой фазе начи­нают разрываться, вокруг хромосомного материала начи­нает формироваться нуклеарная мембрана и снова появляется ядрышко.

В конце телофазы цитоплазма разделяется между двумя дочерними клетками. В центре животной клетки на­чинает формироваться перемычка в результате су­жения мембраны с обеих сторон клетки. Появление пере­мычки говорит об окончании телофазы и начале цитокине­за. Мембрана сужается внутрь с обеих сторон клетки, пока не образуются две клетки. Эти клетки называются дочер­ними.

Процесс митоза происходит в клетках которые репродуцируются во вре­мя роста, при заживлении ран и замене мертвых клеток. Две клетки, образующиеся в результате митоза, идентич­ны своей материнской клетке.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Какова продолжительность митоза в различных клетках?

2. Какую часть клеточного цикла занимает митоз?

3. Когда происходит репликация ДНК?

4. Как можно определить окончание профазы при цитологических исследованиях?

5.Как называется процесс деления цитоплазмы материнской клетки?

6. В каких клетках организма клетки делятся митотически?

 

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ

 

Половым размножением называют возникновение и развитие потомства из оплодотворенной яйцеклетки - зиготы, т.е. слившихся женской и мужской половых клеток.

При половом размножении животных и растений преемственность между поколениями осуществляется только через половые клетки - яйцеклетку и сперматозоид. Одним из самых загадочных явлений при этом является то, что половые клетки, составляющие обычно ничтожно малую величину по сравнению с размером организма (яйцеклетка человека имеет массу 10^{-5 г, а сперматозоид 10-9 г), переносят наследственную информацию потомству о всех признаках и свойствах родителей.}

Пути развития половых клеток, а также процесс оплодотворения у животных и растений различны, но во всех случаях в их основе лежат сходные механизмы. Самым характерным процессом в развитии половых клеток животных и растений является мейоз.

В процессе развития половые клетки претерпевают мейоз, который состоит из двух последовательных делений: первое обычно редукционное, уменьшающее число хромосом вдвое (клетки из диплоидных становятся гаплоидными); второе - эквационное (уравнительное), когда клетки сохраняют гаплоидный набор хромосом (рис. 5).

 

 

Рис. 5 Схема мейоза: А, Б - разные пары гомологичных хромосом;

1, 2 - два возможных варианта комбинирования негомологичных

хромосом при образовании гамет

Цикл мейоза состоит из ряда последовательных фаз, в которых хромосомы претерпевают закономерные изменения. Фазы, относящиеся к первому делению, принято обозначать римской цифрой I, а ко второму - II.

 

Интерфаза	Профаза I	Интеркинез	Профаза II
	лептонема
	зигонема
	пахинема
	диплонема
	диакинез
	Метафаза I		Метафаза II
	Анафаза I		Анафаза II
	Телофаза I		Телофаза II
			Цитокинез

 

У рыб гаметогенезу предшествует процесс развития воспроизводительной системы, который включает формирование половой железы - яичника или семенника (гонадогенез) и превращение первоначально индифферентных половых клеток в зрелые мужские или женские половые клетки - гаметы (гаметогенез).

Оогенез. В процессе развития женская половая клетка претерпевает существенные изменения, в результате чего она превращается в зрелую яйцеклетку (рис. 6).

 

Рис. 6Оогенез: последовательные стадии развития женской половой клетки и мейотические преобразования (римскими цифрами обозначены стадии зрелости яичника)

 

Эти изменения затрагивают все структурные элементы клетки: хромосомы (и ядро в целом), цитоплазму, оболочки. Они приводят к изменению размеров клетки, ее морфологии, химического состава, метаболизма. В период оогенеза осуществляется первое (редукционное) деление мейоза, которое приводит к перераспределению хромосом в половых клетках и к сокращению их числа до гаплоидного уровня.

Весь путь развития женской половой клетки - от ее начальной стадии до зрелого яйца - подразделяют на 4 периода: синаптенный путь, протоплазматический (малый) рост, трофоплазматический (большой) рост и период созревания.

Сперматогенез. Началу сперматогенеза (как и овогенеза) предшествуют многочисленные митозы, ведущие к образованию большого числа сперматогониев (рис. 7). Собственно сперматогенез включает три стадии: роста, созревания и формирования сперматозоида (спермиогенез).

 

 

Рис. 7.Сперматогенез: последовательные стадии развития

мужской половой клетки и мейотические преобразования

(римскими цифрами обозначены стадии зрелости семенника)

 

Вопросы для самоконтроля:

1.Какие клетки организма формируются в процессе мейотического деления?

2. Какие процессы обеспечивают появление новых комбинаций генов в ходе мейоза?

3. Какое количество хромосом образует метафазную пластинку в первое деление мейоза?

4. Какая структура называется «бивалент»?

5. Почему первое деление мейоза называют редукционным?

6. В какой период онтогенеза происходит формирование гамет у рыб?

 

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

 

Гибридологический метод

Метод изучения наследования был разработан Грегорем Менделем в 1865 г. На протяжении столетий предшественники Менделя изучали наследование совокупности всех признаков у гибридного потомства. Г.Мендель положил в основу изучения наследования новый принцип: анализ наследования отдельных пар признаков в потомстве скрещиваемых растений одного вида, отличающихся по одной, двум и трем парам контрастных, альтернативных признаков. Например, цветки пурпурные и белые, форма семян гладкая и морщинистая и т.п. В каждом поколении велся учет отдельно по каждой такой паре альтернативных признаков, без учета других различий между скрещиваемыми растениями.

Вторая особенность этого метода заключалась в использовании количественного учета гибридных растений, различающихся по отдельным парам альтернативных признаков, в ряду последовательных поколений.

Третьей особенностью метода Менделя было применение индивидуального анализа потомства от каждого гибридного растения.

Перечисленные простые приемы исследования и составили принципиально новый гибридологический метод изучения наследования, открывший целую эпоху в изучении наследственности и изменчивости. Совокупность генетических методов изучения наследования называют генетическим анализом.

Для генетического анализа наследования определенных признаков при половом размножении необходимо производить скрещивание двух особей разных полов. Скрещивание обозначают в генетике знаком умножения (x). При написании схемы скрещивания принято на первом месте ставить женский пол. Женский пол обозначают знаком X, мужской - Y.

Родительские организмы, взятые для скрещивания, обозначают латинской буквой Р. Потомство от скрещивания двух особей с различными признаками называют гибридным, а отдельную особь - гибридом. Гибридное поколение обозначают для краткости буквой F с цифровым индексом, соответствующим порядковому номеру гибридного поколения. Так, первое поколение будет F₁; если гибридные особи скрещиваются между собой, то их потомство обозначают F₂, третье поколение - F₃ и т.д.

Гибриды, получаемые от скрещивания особей одного вида, называют внутривидовыми. Существуют, кроме того, межвидовые, или отдаленные, гибриды, происшедшие от скрещивания организмов разных видов или родов. К таким гибридам относят, например, потомство от скрещивания пшеницы с рожью, лошади с ослом и т.п.