Представление об аллелях и их взаимодействиях: полное и неполное доминирование, кодоминирование. Закон «чистоты гамет». Гомозиготность и гетерозиготность.

Один и тот же ген может изменяться в несколько состояний; иногда таких состояний бывает несколько десятков и даже сотен. Ген А может мутировать в состояние а¹, а², а³,... аⁿ. Ряд состояний одного и того же гена называют серией множественных аллелей, а само явление – множественным аллелизмом.

Аллельные гены – гены, определяющие развитие альтернативных признаков. Они располагаются в одинаковых локусах гомологичных хромосом. Аллель – форма существования (проявления) гена.

При полном дом-нии один ген полностью подавляет проявление другого гена (выпол-ся законы Менделя), при этом гомозиготы по домин-му признаку и гетерозиготы фенотипически неотличимы. П олное доминирование – это такой вид взаимодействие аллельных генов, при котором проявление одного из аллелей гена (А) не зависит от наличия в генотипе аллеля (А`) Гомозиготы АА не отличаются по фенотипу от гетерозигот АА`.Явление полного доминирования у человека встречается редко.

При неполном доминировании (промеж-ом наследовании) доминантный ген не полностью подавляет проявление действия рецес-ого гена. фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву и имеет среднее (промежуточное) значение между ними. Имеет место при наследовании окраски околоцветника ночной красавицы, львиного зева, окраски шерсти морских свинок и пр. Пример: Брахидактилия, Серповидно-клеточная анемия (СКА), Синдром Марфана.

Кодоминирование — вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву, и в фенотипе гетерозигот присутствуют продукты обоих генов. Имеет место при формировании, например, IV группы крови системы (АВ0) у человека. У гибридов первого поколения наблюд-ся промежуточное наследование, а во втором поколении - расщепление по фенотипу и генотипу одинаково 1:2:1 (прояв-ся доза действия генов).

*Напр., если скрестить растения душистого горошка с красными и белыми цветами первое поколение будет иметь розовые цветки. При кодоминировании гены одной аллельной пары равнозначны, ни один из них не подавляет действия другого; если они оба находятся в генотипе, оба проявляют свое действие. Одновр-ое присутствие в генотипе генов JА и JВ обусловливает наличие в эритроцитах антигенов А и В (IV группа крови). Гены JА и JВ не подавляют друг друга - они яв-ся равноценными, кодоминантными.*

Закон чистоты гамет — в каждую гамету попадает только один аллель из пары аллелей данного гена родительской особи.

В норме гамета всегда чиста от второго гена аллельной пары.

Гипотеза чистоты гамет. Мендель предположил, что при образовании гибридов наследственные факторы не смешиваются, а сохраняются в неизменном виде. У гибрида присутствуют оба фактора — доминантный и рецессивный, но проявление признака определяет доминантный наследственный фактор, рецессивный же подавляется. Связь между поколениями при половом размножении осуществляется через половые клетки — гаметы. Следовательно, необходимо допустить, что каждая гамета несет только один фактор из пары. Тогда при оплодотворении слияние двух гамет, каждая из которых несет рецессивный наследственный фактор, будет приводить к образованию организма с рецессивным признаком, проявляющимся фенотипически. Слияние же гамет, каждая из которых несет доминантный фактор, или же двух гамет, одна из которых содержит доминантный, а другая рецессивный фактор, будет приводить к развитию организма с доминантным признаком. Таким образом, появление во втором поколении рецессивного признака одного из родителей может быть только при двух условиях: 1) если у гибридов наследственные факторы сохраняются в неизменном виде; 2) если половые клетки содержат только один наследственный фактор из аллельной пары. Расщепление потомства при скрещивании гетерозиготных особей Мендель объяснил тем, что гаметы генетически чисты, то есть несут только один ген из аллельной пары.

Условия выполнения закона чистоты гамет

Нормальный ход мейоза. В результате нерасхождения хромосом в одну гамету могут попасть обе гомологичные хромосомы из пары. В этом случае гамета будет нести по паре аллелей всех генов, которые содержатся в данной паре хромосом.

Гомозиготность, состояние следственного аппарата организма, при котором гомологичные хромосомы имеют одну и ту же форму данного гена. Переход гена в гомозиготное состояние приводит к проявлению в структуре и функции организма (фенотипе) рецессивных аллелей, эффект которых при гетерозиготности подавляется доминантными аллелями. Тестом на Гомозиготность служит отсутствие расщепления при определённых видах скрещивания. Гомозиготный организм образует по данному гену только один вид гамет.

Гетерозиготность - состояние, при котором его гомологичные хромосомы несут разные формы (аллели) того или иного гена или различаются по взаиморасположению генов («структурная Гетерозиготность»). Структурная Гетерозиготность возникает при хромосомной перестройке одной из гомологичных хромосом, её можно обнаружить в мейозе или митозе. Выявляется Гетерозиготность при помощи анализирующего скрещивания. Гетерозиготность, как правило, — следствие полового процесса, но может возникнуть в результате мутации (например, у гомозиготы АА один из аллелей мутировал: АА'). При Гетерозиготность эффект вредных и летальных рецессивных аллелей подавляется присутствием соответствующего доминантного аллеля и проявляется только при переходе этого гена в гомозиготное состояние. Поэтому Гетерозиготность широко распространена в природных популяциях и является, по-видимому, одной из причин гетерозиса. Маскирующее действие доминантных аллелей при Гетерозиготность — причина сохранения и распространения в популяции вредных рецессивных аллелей (т. н. гетерозиготное носительство). Существование множественных аллелей само по себе указывает на относительный характер доминирования, на то, что оно проявляется только в конкретных условиях генотипической среды. На биохимическом уровне часто наблюдается совместное доминирование аллелей одного гена: каждый из них дает свой вариант генопродукта – белка или другого вещества (при этом нуль–аллели дают отсутствие генопродукта).

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 6

Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот (трансформация у бактерий, опыты с вирусами). Структура ДНК и РНК. Модель ДНК Уотсона и Крика. Функции нуклеиновых кислот в реализации генетической информации: репликация, транскрипция и трансляция. Методологическое значение принципа передачи генетической информации: ДНК-РНК-белок. Свойства генетического кода. Доказательства триплетности кода. Расшифровка кодонов. Вырожденность кода. Терминирующие кодоны. Понятие о генетической супрессии. Универсальность кода.

Нуклеиновая кислота — высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

Трансформация в генетике – внесение в клетку генетической информации при помощи изолированной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Трансформация приводит к появлению у трансформированной клетки и её потомства новых признаков, характерных для объекта — источника ДНК. Именно ДНК была идентифицирована как генетический материал у всех растений, животных, микроорганизмов и большинства вирусов.

Трансформация бактерий. Первым прямым доказательством генетической роли ДНК послужила ее способность переносить наследственные свойства между штаммами пневмококков. Трансформацию пневмококков открыл бактериолог Ф. Гриффитс в 1928 г.

У пневмококков известны два типа штаммов, различающихся по характеру роста на плотных средах и одновременно по свойству патогенности по отношению к подопытным животным – мышам. S-форма пневмококка образует на агаре гладкие блестящие колонии благодаря тому, что клетки заключены в полисахаридную капсулу. S-форма патогенна для мышей, так как полисахаридная капсула предохраняет бактериальные клетки от иммунной системы зараженного животного. Мыши, которым вводили живые клетки S-формы пневмококка, погибали. Другая форма пневмококка – R-форма – не имеет капсулы, образует шероховатые колонии и непатогенная для мышей.

Ф. Гриффитс обнаружил, что если мышам ввести убитые нагреванием до 65°С клетки формы S и одновременно живые клетки формы R, то мыши погибают, а из их трупов вы-деляют клетки формы S. Следовательно, живые клетки R трансформируются в присутствии убитых нагреванием клеток S, тем самым приобретая свойства патогенности. В дальнейшем другие экспериментаторы показали, что такое же превращение – трансформация может происходить и в пробирке. В 1944 г идентифицировали трансформирующий агент как ДНК. Добавление ДНКазы – фермента, специфически разрушающего ДНК, препятствовало трансформации.

Размножение бактериофагов. Бактериофаги – это вирусы бактерий. Бактериофаг состоит только из двух макромолекулярных компонентов – белка и ДНК, заключенной в головке бактериофага. Чтобы установить, что из них отвечает за размножение, использовали радиоактивные метки серы и фосфора. Как выяснилось, меченый фосфор оказывался в потомках бактериофага, т. е. носителем генетической информации является ДНК.

Генетическая роль РНК у ВТМ (вирус табачной мозаики). ТМ содержит одиночную нить РНК, заключенную в белковую оболочку. Частицы ВТМ реконструировали из стандартного штамма и белка штамма HR, которые различались а.к. составом белка оболочки. Вирусные частицы-потомки всегда соответствовали тому штумму, от которого брали РНК.

Составными частями нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Молекула нуклеотида состоит из пентозы, азотистого основания и фосфорной кислоты. В зависимости от типа сахара различают рибонуклеиновую кислоту (РНК; в её состав входит рибоза) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК; в её состав входит сахар дезоксирибоза, у которого на один атом кислорода меньше). В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся четыре типа оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Тимин – в РНК вместо него содержится урацил (У)). Первые два основания относятся к классу пуринов, остальные – к пиримидинам. Фосфорная кислота определяет кислотные свойства нуклеиновых кислот.

Дж. Уотсон и Ф. Крик так описали основные черты модели ДНК:

1. Число нуклеиновых цепей равно двум.

2. Цепи образуют правозакрученные спирали по 10 оснований в каждом витке.

3. Цепи закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

4. Последовательность атомов (по отношению к кольцу дезоксирибозы) одной цепи противоположна таковой в другой цепи, т. е. цепи антипараллельны.

5. Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а основания – внутри и рас-положены с интервалом 0,34 мкм под прямым углом к оси молекулы.

6. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями.

7. Пары, образуемые основаниями А – Т и G – С, в высшей степени специфичны. Таким образом, полинуклеотидные цепи комплементарны друг другу.

Первоначально считалось, что ДНК может быть только в виде правозакрученной спирали, однако в 1979 г. американский ученый А. Рич доказал, что ДНК существует и в виде и в виде левозакрученной спирали. Эта форма – Z-ДНК – встречается на участках, обогащенных парами G – С и играет существенную роль в процессах рекомбинации и регуляции действия генов.

При синтезе макромолекул ДНК, РНК или белков один активный центр фермента не в состоянии обеспечить специфическую последовательность четырёх кодирующих единиц. Он может связывать между собой только один или несколько «строительных блоков», а нуклеиновые кислоты содержат в своём составе тысячи нуклеотидов. Поэтому природа пошла здесь по другому пути: матрицей для синтеза цепи молекулы ДНК служит другая цепь ДНК.

Транскрипция ДНК в ходе деления клеток начинается с разделения двух цепей, каждая из которых становится матрицей, синтезирующей нуклеотидную последовательность новых цепей. Хеликаза, топоизомераза и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований. Репликация катализуется несколькими ДНК-полимеразами, а транскрипция – ферментом РНК-полимеразой. После репликации дочерние спирали закручиваются обратно уже без затрат энергии и каких-либо ферментов.

Сравнительно неплохо изучен процесс репликации и транскрипции ДНК бактерий. Их ДНК способна реплицироваться, не распрямляясь в линейную молекулу, то есть в кольцевой форме. Процесс, по-видимому, начинается на определённом участке кольца и идёт сразу в двух направлениях (в одном – непрерывно, во втором – фрагментарно с последующим «склеиванием» фрагментов). Инициация репликации находится под контролем клеточной регуляции. Скорость репликации ДНК составляет около 45000 нуклеотидов в минуту; таким образом, родительская вилка расплетается со скоростью 4500 об/мин.

Частота ошибок при ДНК-репликации не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов. Столь высокая степень точности воспроизведения информации определяется не только комплементарностью нуклеотидов, но и действием ДНК-полимераз, которые способны распознать ошибку в образующемся коде и исправить её. Следует заметить, что точность воспроизведения РНК и белков в тысячи раз ниже. Это связано с тем, что транскрипция и трансляция, затрагивающие только одну клетку, – не столь жизненно важные процессы, как репликация, которая определяет будущее всего вида.

В ДНК эукариот процесс начинается одновременно в сотнях и тысячах точек. Все хромосомы в клетке должны реплицироваться одновременно, и одновременно в клетке работают многие тысячи вилок.

Транскрипцией называется перенос информации с двуцепочечной молекулы ДНК на одноцепочечные молекулы РНК. Матрицей для синтеза РНК служит только одна цепь.

Три стадии: инициация, элонгация, терминация. Ферменты – РНК-полимеразы, действует в направлении 5’ à 3’. Начинается процесс с промоторной области. Они богаты парами АТ (TATA-последовательности или последовательности Прибнова. Затем идет процесс элонгации с помощью тетрамера РНК-полимеразы. Завершается процесс после присоединения фактора терминации (ро-фактор). Терминация происходит в специальных участках – терминаторах, содержащих инвертированные повторы.

РНК-полимеразы: у прокариот – состоит из 4х субъединиц (2αββ’) = минимальный фермент. Для узнавания стартовых участков нужна еще одна субъединица: σ (сигма). У прокариот одна РНК-полимераза синтезирует все три типа РНК.

У эукариот три типа РНК-полимераз. I – синтез рРНК, II – синтез иРНК, III – синтез тРНК и 5S рРНК.

Трансляцией называется синтез белка на рибосомах, направляемый матрицей иРНК. Информация переводится с четырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на 20-тибуувенный алфавит а.к. последовательностей.

Три стадии:

1. Стадия активации аминокислот – образование аминоациладенилатов в ре-зультате взаимодействия аминокислот с АТФ под контролем фермента, специфического для каждой аминокислоты. Эти ферменты – аминоацил-тРНК-синтетазы – участвуют и в следующей стадии.

2. Стадия аминоацилирования тРНК – присоединение аминокислотных остатков к тРНК вследствие взаимодействия тРНК и комплекса аминоацил-тРНК-синтетазы с аминоациладенилатами. Каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.

3. Собственно трансляция, или полимеризация, аминокислотных остатков с обра-зованием пептидных связей и, таким образом, полимеризация полипептидных цепей. Эта стадия осуществляется на рибосомах под контролем матрицы тРНК в соответствии с правилами считывания генетического кода.

Все тРНК как прокариот, так и эукариот имеют сходную структуру. Они состоят из около 80 оснований. Схематически структуру тРНК принято изображать в форме «клеверного листа» в соответствии с возможностью образования водородных связей между основаниями. В состав каждой рибосомы, состоящей из двух субчастиц, входят две молекулы рРНК, ассоциированные с белками. Трансляция на рибосомах состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.

Все кодоны иРНК опознают антикодоны тРНК, за исключением трех знаков терминации трансляции. Сигналом инициации трансляции у прокариот и эукариот служит кодон для метионина AUG, если он находится в начале иРНК. В остальных случаях кодон AUG считывается, как метиониновый. Это взаимодействие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (или А-центре), располагающемся преимущественно на малой субчастице рибосомы.

Взаимодействие иРНК (кодон AUG), малой субчастицы рибосомы и формилметионил-тРНКфМет образует комплекс инициации, который задает фазу (рамку) трансляции иРНК триплетами. Далее к нему присоединяется большая субчастица рибосомы, и формилметионил-тРНКфМет перемещается в пептидный центр (Р-центр) рибосомы, рас-положенный преимущественно на большей субчастице. При этом рибосома сдвигается на один триплет вдоль иРНК, и ее освободившийся А-центр связывает следующую аминоацил-тРНК в соответствии с кодоном иРНК. Рибосома движется вдоль матрицы (от ее 5’- к 3’-концу), последовательно считывая кодоны. При этом происходит элонгация полипептида путем образования пептидных связей между аминокислотными остатками. Полипептидная цепь нарастает от N-конца к С-концу. Процесс продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит на иРНК один из трех кодонов-терминаторов, который считывается в ее А-центре.

Белок синтезируется на молекулах иРНК, «покрытых» рибосомами – полирибосомах, или полисомах. Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением молекул GTP, при-чем требуется участие дополнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации, элонгации и терминации.

*совершенно не понимаю, что писать о МЕТЕДОЛОГИЧЕСКОМ ЗНАЧЕНИИ L *

Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислотных остатков в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты.

1. Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

2. Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов

4. Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте

5. Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

6. Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека.

Доказательства триплетности. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Если бы мы пытались обозначить одну аминокислоту одним нуклеотидом, то 16 из 20 аминокислот остались бы не зашифрованы. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать 16 аминокислот (из четырех нуклеотидов можно составить 16 различных комбинаций, в каждой из которых имеется два нуклеотида). Природа создала трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном. Из 4 нуклеотидов можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида в каждой (4*4*4=64). Этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот и, казалось бы, 44 кодона являются лишними. Однако это не так. Некоторые кодоны просто-напросто избыточны, то есть целый ряд аминокислот кодируется двумя, четырьмя или даже шестью триплетами.

 

Экспериментальное доказательство: опыты с мутантами rII бактериофага Т4 (опыты Ф. Крика). Известно, что акридиновые красители вызывают делеции или вставки оснований в молекулах ДНК. Предположим, что прямая индуцированная' профлавином мутация возникла вследствие дополнительной пары оснований в ДНК, а обратная обусловлена компенсирующей нехваткой пары оснований в других близких к ней участках хромосомы. Прямая мутация обозначается знаком -, а обратная, т. е. супрессорная, - знаком +. Прямая и обратная мутации имеют противоположный знак.

При скрещивании мутантных фагов rII, несущих делецию (-) или вставку (+), могут возникнуть различные комбинации мутаций у рекомбинантов. Можно ожидать, что комбинации ++ или -- будут давать мутантный фенотип, так как при этом добавятся или удалятся две пары оснований в ДНК и правильность считывания информации будет нарушена. Однако если кодовое отношение равно трем, т. е. код триплетен, то добавление или удаление трех оснований не должно нарушать правильности считывания информации. Третья мутация того же знака, как и две предыдущие, восстановит дикий фенотип фага и приведет к так называемому псевдодикому типу, поскольку часть генетической информации в промежутке между мутациями будет нарушена. Если указанные мутации не затрагивают активный центр белковой молекулы, такой тройной мутант будет похож на фаг дикого типа.

Рассмотрим пример. Предположим, что в гене существует такая последовательность оснований: ABC ABC ABC ABC ABC. Добавление трех оснований (XYZ) изменит эту последовательность на ABC XAB YCA BZC ABC ABC. Их выпадение даст последовательность ABC BCA CBC ABC ABC. В том и другом случае за пределами крайней нехватки или вставки триплеты будут считываться правильно, следовательно, генетический код триплетен.

Вырожден ли код? Существуют ли кодоны синонимы или остальные 44 кодона просто не имеют смысла? Некоторые аргументы в пользу вырожденности кода содержатся в работе Ф. Крика с сотрудниками. Взаимная супрессия мутаций типа «сдвиг считывания» происходила на участке гена rII, соответствующем примерно 1/10 всего гена. Этот ген кодирует белок, состоящий примерно из 200 а.к., следовательно, мутации взаимодействовали на расстоянии, достаточном для кодирования около 20 а.к. Если бы код не был вырожденным, между вставкой и выпадением с большой вероятностью д.б. возникать бессмысленные триплеты, и тогда нормальное считывание было бы невозможным. Прямые данные в пользу вырожденности кода были получены в экспериментах Х. Виттмана, работавшего с ВТМ, а также при расшифровки кодонов химическим путем.

Последовательность нуклеотидов в кодонах удалось определить при помощи двух методов. Г. Корана с сотрудниками разработал метод химического синтеза ДНК-подобных полимеров с заданной последовательностью нуклеотидов. Применяя их в качестве матрицы для синтеза РНК можно было получить РНК с заранее известной последовательностью и использовать ее в бесклеточной системе белкового синтеза. Второй метод – М. Ниренберг и П. Ледер. Промежуточные продукты в синтезе белка – а.к., связанные с тРНК. тРНК выполняют роль адаптеров. Ученые убедились, в том, что одного тринуклеотида на рибосоме достаточно для связывания и с рибосомой, и с РНК. Тринуклеотидные матрицы с определенным чередованием оснований были использованы для изучения связывания с рибосомами тРНК, заряженных а.к. – в результате был составлен кодовый словарь в виде таблицы.

Триплеты UAG, UAA и UGA являются кодонами-терминаторами, на которых синтез белка останавливается. Ни для одного из кодонов- терминаторов не найдено соответствующей тРНК. Это исключает возможность механизма терминации с участием специальной тРНК, которая узнает терминатор для прекращения белкового синтеза. Вместо этого существуют сигнальные белковые факторы, которые вступают в действие как раз в тот момент, когда рибосома доходит до кодона-терминатора. Таким образом, терминирующие кодоны являются знаками пунктуации, механизм действия которых отличается от механизма действия кодонов, детерминирующих аминокислоты.

Кодон терминации обязательно присутствует в конце кодирующей части каждой природной мРНК. Вне рамки считывания триплеты UAA, UAG и UGA в пределах кодирующей последовательности мРНК встречаются часто. Поэтому обычно случайный сдвиг рамки в процессе элонгации не может привести к синтезу очень длинного неправильного полипептида и чаще всего приводит к скорой терминации этой неправильной трансляции. В некодирующих участках мРНК, включая межцистронные участки полицистронных РНК, частота терминирующих триплетов обычно также высока. Терминирующий триплет в рамке считывания может появиться в кодируюшей части мРНК в результате мутации. Например, замена G на A в триптофановом кодоне (UGG) приводит к появлению либо UAG, либо UGA; замена C на U в глютаминовых кодонах (CAA и CAG) приводит к появлению либо UAA, либо UAG. Такие мутации называются "бессмысленными" (nonsense); появление UAG обозначается как " янтарная" мутация, UAA - " охровая ", а UGA - "опал". Другая мутация, изменяющая антикодон какой-либо тРНК так, что он становится комплементарным nonsense-кодону может привести к супрессии nonsense-мутации.

трансляции. Как правило нонсенс-супрессорами оказываются те тРНК, антикодоны которых могут быть превращены заменой одного нуклеотида в антикодоны, комплементарные кодонам-терминаторам. Таким же путем могут возникать и миссенс-супрессоры. Мутации, затрагивающие тРНК могут приводить и к супрессии мутация типа «сдвиг считывания». Все эти изменения генов не приводят к полной дезорганизации аппарата трансляции благодаря тому, что большинство их для тРНК дублированы. Супрессия на уровне трансляции может происходить также вследствие мутаций, кодирующих некоторые белки рибосом.

Генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека, но есть ряд отклонений. Первый пример отклонения от стандартного генетического кода был открыт в 1979 году при исследовании генов митохондрий человека. С того времени было найдено несколько подобных вариантов^[13], включая многообразные альтернативные митохондриальные коды,^[14] например, прочитывание стоп-кодона УГА в качестве кодона, определяющего триптофан у микоплазм. У бактерий и архей ГУГ и УУГ часто используются как стартовые кодоны. В некоторых случаях гены начинают кодировать белок со старт-кодона, который отличается от обычно используемого данным видом^[13].

В некоторых белках нестандартные аминокислоты, такие как селеноцистеин и пирролизин, вставляются рибосомой, прочитывающей стоп-кодон, что зависит от последовательностей в мРНК. Селеноцистеин сейчас рассматривается в качестве 21-й, а пирролизин 22-й из аминокислот, входящих в состав белков.

Несмотря на эти исключения, у всех живых организмов генетический код имеет общие черты: кодоны состоят из трёх нуклеотидов, где два первых являются определяющими, кодоны транслируются тРНК и рибосомами в последовательность аминокислот.

Понятие о виде и популяции. Популяция как естественно - историческая структура. Понятие о частотах генов и генотипов. Математические модели в популяционной генетике. Закон Харди-Вайнберга, возможности его применения. С.С. Четвериков - основоположник экспериментальной популяционной генетики.

Биологическая единица эволюционного процесса должна удовлетворять следующим требованиям:

1. она д.б. далее неделима и выступать во времени и пространстве как единое целое.

2. Она д.б способна наследственно изменяться во времени, измеряемом биологическими поколениями.

3. Она д. существовать в конкретных природных условиях.

Т.е. единицу эволюции на протяжении поколений составляет некая группа особей.

Популяция – общность индивидуумов определенного вида, связанных происхождением (родством), скрещиванием (гибридизацией) и общностью территории. Популяция является элементарной эволюционной структурой.

Вид – исторически сложившаяся совокупность организмов, занимающих определенный ареал обитания и характеризующийся общностью происхождения, сходной системой приспособлений к условиям среды и воспроизведением в поколениях основных адаптивных черт и признаков. Организмы одного вида обладают характерным для данного вида фенотипом и генотипом.

Впервые исследование структуры популяции, совместившее в себе генетические и статистические методы, было предпринято В. Иоганнсеном в 1903 г.

Иоганнсен избрал объектом исследования популяции самоопылителей, которые можно было легко разложить на группы потомков отдельных самоопыляющихся растений, т. е. произвести выделение чистых линий. Анализу была подвергнута масса (размеры) семян фасоли, которая определяется полигенно и в сильной степени подвержена влиянию факторов внешней среды.

Иоганнсен провел взвешивание семян одного сорта фасоли и построил вариационный ряд по этому показателю. И далее, взвешивая и высевая отдельно тяжелые и легкие семена, он показал, что сорт – популяция фасоли – состоит из генетически различных растений, каждое из которых может стать родоначальником чистой линии.

Эволюционный процесс оперирует с популяциями, в пределах которых происходят свободные случайные скрещивания, или панмиксия. Такие популяции называются панмиктическими, или менделевскими.

Популяциям присущи конкретные генетические и экологические признаки, отражающие способность систем поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях: рост, развитие, устойчивость. Наука, объединяющая генетические, экологические и эволюционные подходы к изучению популяций, известна как популяционная биология.

Численность и плотность – основные параметры популяции. Численность – общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Плотность – количество особей или их биомасса на единице площади или объема. В природе происходит постоянные колебания численности и плотности.

Динамика численности и плотности определяется в основном рождаемостью, смертностью и процессами миграции. Это показатели, характеризующие изменение популяции в течение определенного периода: месяца, сезона, года и т.д. Изучение этих процессов и причин их обусловливающих очень важно для прогнозов состояния популяций.

Рождаемость различают абсолютную и удельную. Абсолютная рождаемость – это количество новых особей, появившихся за единицу времени, а удельная – то же самое количество, но отнесенное к определенному числу особей. Например, показателем рождаемости человека служит число детей, родившихся на 1000 человек в течение года. Рождаемость определяется многими факторами: условиями среды, наличием пищи, биологией вида (скорость полового созревания, количество генераций в течение сезона, соотношение самцов и самок в популяции).

Смертность, как и рождаемость, бывает абсолютной (количество особей, погибших за определенное время), так и удельной. Она характеризует скорость снижения численности популяции от гибели из-за болезней, старости, хищников, недостатка корма, и играет главную роль в динамике численности популяции.

Вся совокупность генов популяции называется генофондом и определяется как 2N, где N – число особей. Важнейшей характеристикой популяции являются частоты аллелей (генов) и генотипов. Генофонд популяции воплощается в значениях частот генотипов, определяемых на репрезентативных выборках.

Частота аллелей – эта величина состоит из частоты гомозигот по данной аллели и половины частоты гетерозигот.

Закон Харди-Вайнберга свидетельствует о том, что наследование как таковое не меняет частоты аллелей в популяции.

Если обозначить частоту аллели А через p, а частоту аллели а через q, то при наличии по данному локусу только двух аллелей в популяции pA + qa = 1. Соотношение генотипов в таком случае будет: (pA + qa)2 = p2AA +2pqAa + q2aa = 1.

Пользуясь этим приемом и принимая иные значения p и q, легко убедиться, что уже в первом поколении в популяции устанавливается равновесие, сохраняющееся и во всех последующих.

Эта закономерность была очевидна для математика Х. Харди, и он хотел, чтобы она стала известна и биологам, считавшим, что частота доминантной аллели в популяции может автоматически возрастать.

В строгом смысле закон Харди–Вайнберга приложим к бесконечно большим популяциям, в которых осуществляется панмиксия и на которые не действуют никакие внешние факторы. Только при этих условиях популяция находится в равновесии, т. е. частоты аллелей и генотипов в ней постоянны. Очевидно, что это идеальное представление о популяции никогда не реализуется в природных условиях.

С помощью закона Харди-Вайнберга можно выяснять частоты всех генотипов в популяции.

Значение генетической гетерогенности природных популяций впервые по достоинству оценил С. С. Четвериков в своей классической работе «О Некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики» (1926). С. С. Четвериков предвосхитил дальнейшее развитие популяционно-генетических исследований, предсказав, что естественные популяции должны быть в высокой степени генетически гетерогенны, что «вид, как губка, впитывает в себя гетерозиготные геновариации [мутации], сам оставаясь при этом всем внешне [фенотипически] однородным». Действительно, большинство возникающих мутаций рецессивно, и при высокой численности популяции эти рецессивные мутации словно растворяются, оказываясь в гетерозиготе. При этом вероятность их гомозиготизации обратно пропорциональна численности общей совокупности организмов.

Эти данные и последующие исследования многих других авторов подтвердили исследования Четверикова. В 40-50х годах на Западе рассматривались две точки зрения на структуру прирордных популяций: классическая и балансовая модели

Классическая модель: природные популяции представлены в основном гомозиготами по доминантным аллелям.

Балансовая модель: отдавалось предпочтение полиморфизму адаптивного «дикого» типа. Эта теория исходила также из эффекта гетерозиса, т.е. преимущества гетерозигот перед гомозиготами.

Обе модели основывались на представлении о том, что большинство вновь возникающих мутаций вредны. Гипотеза Четверикова получала все больше доказательств, вместе с тем подтверждалась балансовая модель популяции.

Теоретические соображения, высказанные С. С. Четвериковым в этой работе, вскоре экспериментально подтвердила его работа с П. Ф. Рокицким, С. М. Гершензоном и др. В природной популяции дрозофилы при инбредировании в лаборатории были найдены мутации, затрагивающие 33 разных гена.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 7

Проблемы медицинской генетики. Врожденные и наследственные болезни, их распространение в человеческих популяциях. Хромосомные и генные болезни. Болезни с наследственной предрасположенностью. Скрининг генных дефектов.

Медицинская генетика – важный раздел современной генетики, изучающий роль наследственных факторов в возникновении патологических симптомов и признаков в организме человека. Цель мед.генетики: изучение и предотвращение наследственных заболеваний. Человек, как объект генетических исследований сложен и вместе с тем удобен. Сложность: к человеку нельзя применить метод экспериментальной гибридизации, не всегда возможно одновременное обследование представителей 3х и более поколений семья. С другой стороны, бурное развитие молекулярной и клеточной биологии существенно расширило наши представления о биохимических, физиологических, молекулярных и других процессах, происходящих в организме здорового человека, что позволяет судить о тонких патогенетических механизмах отдель