Скрещиваемость, фертильность и особенности расщепления у гибридов. Пути преодоления нескрещиваемости.

Трудности скрещивания: при отдаленной гибридизации возникает ряд трудностей:

1. нескрещиваемость генетически далеких видов: известны разнообразные методы преодоления нескрещиваемости растений, относящихся к разным видам и родам, в том числе применение разных биотипов, изменение уровня плоидности у родительских форм, проведение опыления на ранних этапах развития пыльцы, обработка пестиков стимуляторами роста, вегетативное сближение скрещиваемых форм, метод длительного хранения пыльцы и др. Наиболее радикальный путь преодоления несовместимости отдаленных видов – использование метода гибридизации соматических клеток путем слияния изолированных протопластов.

2. неспособность семян к прорастанию: в ряде случаев, когда гибридные семена не завязывались, они могут не прорастать. В этих случаях используют метод культуры изолированных зародышей.

3. стерильность гибридов первого поколения: в случае получения стерильных гибридов F1, необходимо выяснить природу стерильности, генная или цитоплазматическая; исходя из этого разрабатывают стратегию преодоления стерильности. Для преодоления стерильности применяют возвратное скрещивание материнской формы и удвоение числа хромосом у гибридов F1.

Фертильность гибридов и особенности расщепления:

1) скрещивание близкородственных видов с одинаковым числом и высокой гомологичностью хромосом, когда гибридное потомство получается плодовитым. Фертильность обусловлена полной или частичной гомологичностью их хромосом, в результате чего у гибридов первого поколения мейоз протекает более или менее нормально и они самофертильны.

2) скрещивания видов одного рода, различающихся по геномному составу. Чтобы межвидовой гибрид получился фертильным необходимо чтобы у скрещивающихся видов было несколько гомологичных хромосом. Если скрещивают диплоидный и тетраплоидный вид, получаемое потомство бывает частично фертильным.

Пути преодоления нескрещ.

В связи с географической, анатомо-морфологической, физиологической и генетической дифференциацией растений и животных на биологические виды отдаленная гибридизация, как в природе, так и в селекционной практике встречает большие препятствия.

Причины ее в следующем:

1)географическая изоляция видов, разобщенность их ареалов;

2)препятствия к опылению у растений и осеменению у животных, связанные с несовпадением циклов размножения, особенностью строения половых органов, несовместимостью пыльцевых трубок и тканей пестика у растений и др.;

3)препятствия к оплодотворению, обусловленные несовместимостью генотипов сливающихся половых клеток или несовместимостью ядра и цитоплазмы. Последние, в свою очередь, могут вызывать нежизнеспособность или очень низкую жизнеспособность оплодотворенных яйцеклеток, погибающих обычно на ранних стадиях деления, или полное бесплодие, а также очень низкую плодовитость гибридов.

Главная причина нескрещиваемости видов растений обусловлена их генетической изоляцией, несовместимостью генотипов. Она проявляется в непрорастании пыльцы или таком медленном ее прорастании, что оплодотворения не происходит, а также в отсутствии слияния гамет и в ранней гибели образовавшегося зародыша.

Для преодоления нескрещиваемости растений пестики обрабатывают стимуляторами роста, культивируют на питательной среде выделенные семяпочки, предварительно воздействуют на родительские формы радиацией и химическими веществами, изменяют уровень плоидности родителей и т. д.

Мичуринские методы преодоления нескрещиваемости растений.

Ряд оригинальных методов преодоления нескрещиваемости растений при отдаленной гибридизации разработал и успешно применял И. В. Мичурин. К ним относятся: опыление смесью пыльцы, метод предварительного вегетативного сближения и метод посредника.

Метод смеси пыльцы.

Химические выделения разнообразной пыльцы, наносимой на рыльца цветов материнского растения, способствуют прорастанию пыльцы вида-опылителя.

Метод посредника.

Иногда если два растения не скрещиваются межу собой, подбирают третье, хорошо скрещивающееся с одним из пары. Такое растение называют посредником. Полученный гибрид затем скрещивают со свободным партнером.

Метод предварительного вегетативного сближения.

Если два растения не скрещиваются, то иногда одно из них прививают на второе. После зацветания привоя можно приступить к гибридизации.

Метод добавления пыльцы материнского растения

Часто пыльца материнского растения воздействует как катализатор в процессе оплодотворения.

Для преодоления нескрещиваемости иногда используют метод предварительного увеличения наборов хромосом (искусственная полиплоидия). Установлено, что у некоторых сельскохозяйственных культур (например, картофеля) межвидовые скрещивания удаются только среди полиплоидов.

Определенную роль в скрещиваемости видов может играть цитоплазма.

Скрещиваемость видов зависит также от факторов внешней среды - температуры, влажности воздуха и почвы, особенностей вегетационного периода и так далее. Успех скрещивания также может быть связан с индивидуальностями отдельных особей.

 

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 10

Проблемы генотерапии. Значение генетической инженерии для решения задач биотехнологии, сельского хозяйства, медицины и различных отраслей народного хозяйства. Использование методов генетической инженерии для изучения фундаментальных проблем генетики и других биологических наук. Социальные аспекты генетической инженерии.

Благодаря достижениям молекулярной и клеточной биологии мы уже многое знаем о белковых нарушениях, лежащих в основе целого ряда заболеваний, а методы генной инженерии дают возможность воздействовать на гены, управляющие синтезом белка. Размер, сложность структуры белковых молекул, а также отграниченность внутриклеточной среды препятствуют восполнению дефицита белков или их модификации с помощью обычных фармакологических методов. Генотерапия, в принципе, способна преодолеть указанные препятствия, поскольку ее методы позволяют ввести рекомбинантную ДНК в клетки, что обеспечивает синтез функционально активных белков взамен дефектных. Поэтому доставка рекомбинантной ДНК — важнейшая проблема генотерапии. Существуют и другие подходы, использующие ДНК и РНК в качестве лекарственных средств. Первоначально целью генотерапии было лечение наследственных заболеваний, однако сейчас разработаны подходы к лечению и приобретенных заболеваний, таких, как злокачественные новообразования и инфекционные болезни. В этой главе кратко рассмотрены клинические аспекты и методы генотерапии.

Идеальная система доставки ДНК должна обеспечивать: 1)перенос молекул разной длины, 2) легкость получения в концентрированном виде и 3) избирательность по отношению к клеткам-мишеням. Кроме того, она должна гарантировать длительную экспрессию трансгенов, быть нетоксичной и неиммуногенной. Такая система пока не создана, а все существующие методы трансфекции in vivo имеют существенные недостатки. Сейчас разрабатываются несколько новых методов, основанных как на вирусных векторах, так и на невирусных способах доставки трансгенов.

Проблемы: Каждое открытие в области клеточной биологии ведет к созданию новых методов генотерапии. К сожалению, на пути от научных достижений к клинической практике есть несколько принципиальных препятствий. В обозримом будущем влияние генотерапии ограничено лишь соматическими клетками (не зародышевыми). Трансген должен избирательно попасть в клетки определенной ткани, чему сейчас уделяется существенное внимание. Как только произошла трансфекция, на первый план выходит проблема поддержания экспрессии трансгена. Наконец, сам вектор может обладать опасным побочным действием.

Формакокинетика: Доставка чужеродной ДНК и ее последующие преобразования в клетке-мишени не могут быть описаны обычными уравнениями фармакокинетики (гл. 1). Важны не только судьба собственно вводимой ДНК (например, объем распределения, скорость поступления в ткани), но и последствия изменения экспрессии генов и функции белков. Обязательно нужно учитывать следующее: 1) распределение введенной ДНК в тканях, 2) эффективность поглощения ДНК клетками-мишенями, 3) распределение ДНК между внутриклеточными органеллами, 4) скорость разрушения введенной ДНК,5) скорость транскрипции, 6) время жизни образующейся мРНК, 7) количество и стабильность синтезируемого белка, 8) распределение белка внутри клетки или уровень его секреции. Если учитывать все эти параметры, то можно (хотя пока еще — чисто теоретически) подбирать уровень трансфекции и экспрессии гена в соответствии с конкретными клиническими задачами.

Продолжительность экспрессии трансгенов: Этот вопрос очень важен. При лечении наследственных заболеваний желательно иметь стабильную экспрессию на протяжении многих лет. Напротив, при лечении злокачественного новообразования продолжительный синтез нового белка может быть излишним и даже вредным.

Неблагоприятные последствия экспрессии трансгенов: В случае успешной трансфекции и экспрессии трансгенов возникают новые проблемы. Как и с любым новым лекарственным средством, невозможно заранее предвидеть все возможные последствия генотерапии. Однако некоторые процессы вполне предсказуемы. Поскольку обычно трансфекция приводит к синтезу нового белка, возможна активация иммунной системы организма. Выраженный иммунный ответ может привести к инактивации секретируемого белка или повреждению трансфицированных клеток. В некоторых случаях сама система доставки ДН К является иммуногенной, что было показано для аденовирусных векторов. Иммунный ответ на вектор снижает эффективность трансфекции, а при повторном введении вектора препятствует ей. Причиной побочного действия может быть репродукция вирусного вектора. Значительные усилия направлены на разработку вирусных векторов, не способных к репродукции в клетках-мишенях. Для этого из вирусного генома удаляют некоторые гены, необходимые для репродукции.

Большое внимание привлечено к этическим аспектам генотерапии. В основном обсуждается следующее: 1) соотношение риска и пользы для больных, участвующих в отработке экспериментальных методов генотерапии, 2) отбор и защита таких больных и 3) этические аспекты трансфекции зародышевых клеток. Обеспечение безопасности больных — основная цель официальных инструкций, регулирующих исследования в области генотерапии. Теоретически возможная трансфекция зародышевых клеток человека вызывает множество этических вопросов. Общество обеспокоено тем, что изменение генетического материала будущих поколений может привести к дискриминации лиц с определенным генотипом. Кроме того, существует опасность, что методы генотерапии будут использованы для немедицинских целей, например, для косметических и других изменений организма. Продолжающееся обсуждение среди специалистов, а также в обществе исключительно важно для успеха и распространения генотерапии как стандартной практики.

Генотерапия пока остается экспериментальным методом, но, суля по всему, на втором десятилетии своего развития она станет эффективной и безопасной альтернативой существующим методам лечения многих наследственных и приобретенных заболеваний.

Для успеха большинства методов генотерапии необходима разработка более безопасных и эффективных способов доставки трансгенов, поэтому успех зависит от прогресса в конструировании и получении новых векторов. Вероятно, станут возможными более рискованные процедуры, такие, как внутриутробная генотерапия.

Особенности микроорганизмов как объекта генетических исследований. Организация генетического аппарата у бактерий. Представление о плазмидах, эписомах и мигрирующих генетических элементах (инсерционные последовательности, транспозоны).

Микроорганизмы обладают способностью изменять свои основные признаки:морфологические (строение); культуральные (рост на питательных средах); биохимические или ферментативные признаки (добавление определенных веществ в питательную среду может вызвать активацию фермента, который до этого находится в латентном состоянии); биологические свойства — может меняться степень патогенности, на этом основаны способы приготовления живых вакцин.

В настоящее время микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья.

Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно применяются в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике, генной инженерии и биохимии. Самой хорошо изученной бактерией стала Escherichia coli. Информация о процессах метаболизма бактерий позволила производить бактериальный синтез витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков.

Бактерии - удобный материал для генетики. Их отличает: 1) относительная простота генома (совокупности нуклеотидов хромосом); 2) гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков; 3) различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК; 4) половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток; 5) легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Ядерные структуры бактерий - хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали - от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами - в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

Внехромосомные молекулы ДНКпредставленыплазмидами, мигрирующими генетическими элементами - транспозонами и инсервационными последовательностями.

Транспозоны – самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.

Мигрирующие генетические элементы – отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента рекомбинации транспозазы. Простейшим их типом являются инсерционные последовательности, несущие только один ген транспозазы, с помощью которой могут встраиваться в различные участки хромосомы. Их функции- координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали, прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса выделяютконъюгативныеинеконъюгативныеплазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий – интегративныеплазмиды или находиться в виде отдельной структуры-автономныеплазмиды (эписомы).

Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии. Среди них - способность продуцировать экзотоксины и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе: 1) контроль генетического обмена бактерий; 2) контроль синтеза факторов патогенности; 3) совершенствование защиты бактерий.

Бактерии для плазмид - среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.

 

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 11