Що таке ген Генетична точка зору

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


РЕФЕРАТ

ЩО ТАКЕ ГЕН? ГЕНЕТИЧНА ТОЧКА ЗОРУ

Введення

У концепції гена сфокусовані результати приблизно ста років роботи, потрібно для того, щоб розгадати основу спадковості. Проведені дослідження були настільки багатопланові, що не можна однозначно і задовільно відповісти на питання: що таке ген?

Ген - це послідовність ДНК, що несе інформацію про певний білку. Ще зовсім недавно це здавалося цілком достатнім (якщо не повним) біохімічним визначенням. Послідовність ДНК можна було б визначити як безперервну лінійну послідовність нуклеотидів, колінеарне амінокислотної послідовності відповідних білків. Проте, як тепер вже встановлено, послідовність, в якій закодовано білок, що не завжди безперервна. Вона може перериватися вкрапленими в неї некодуючими ділянками. Таким чином, гени можуть складатися з окремих шматків, що з'єднуються воєдино в процесі генної експресії.

Ген можна ідентифікувати по кластеру (групі) мутацій, кожна з яких запобігає утворенню відповідного білка. Хоча це положення залишається справедливим і щодо переривчастих генів, властивості їх кластерів в цьому випадку виявляються значно складніше. Таке твердження є досить спірним, оскільки більшість переривчастих генів виявлено в таких ситуаціях, в яких детальний генетичний аналіз неможливий. Однак очевидно, що генетичний погляд на ген необхідно переглянути.

У всіх видів велике число генів, що становлять геном, організовано в порівняно невелике число хромосом. Генетичний матеріал кожної хромосоми є надзвичайно довгу послідовність ДНК, що містить безліч лінійно розташованих генів. Досить довго залишалося загадкою, скільки всього генів існує в геномі. Уявлення про те, що кожен ген може існувати сам по собі, як унікальне ціле, довелося переглянути, коли було виявлено, що в багатьох випадках кластери споріднених генів організовані в невеликі сімейства.

Зазвичай вважалося, що геном досить стабільний і зміни в його загальній структурі та організації відбуваються вкрай рідко - лише в розтягнутій еволюційно-часовій шкалі. Однак це суперечить недавно отриманими даними про те, що в деяких випадках в ДНК періодично відбуваються перебудови і що існують щодо мобільні компоненти генома.

Сама концепція гена, таким чином, піддалася еволюції. І хоча багато з традиційних положень даної концепції залишилися без змін, були виявлені винятку, свідчать про те, що жодне з положень не можна вважати абсолютним. З часу відкриття гена як незмінною одиниці спадковості його властивості описували, виходячи з того, що положення гена в хромосомі фіксоване. З цього в свою чергу було розвинене уявлення про те, що генетичний матеріал хромосоми представлений безперервної ниткою ДНК, що відповідає безлічі генів. Слідуючи за розвитком цих ідей, ми зможемо дати операціональне опис гена, але це навряд чи допоможе нам сформулювати коротке визначення.

Елементарний фактор спадковості

"Постійні ознаки, що з'являються у цій групі рослин, можуть бути отримані у всіх комбінаціях відповідно до математичними законами поєднань. Ті ознаки, які при передачі потомству виявляються і, отже, виявляються у гібридів, називають домінантними, а ті, які виявляються в прихованому стані , називають рецесивними. Вираз "рецесивний" було обрано тому, що такі ознаки як би відступають або повністю зникають у гібридів, але знову з'являються в їх потомство без будь-яких істотних змін і в передбачуваному співвідношенні. Проміжні форми ні в одному з експериментів виявлені не були. "

Ця (скорочена) цитата з чудової статті Менделя, опублікованій в 1865 р., вводить основну концепцію генетики: існує одиниця спадковості у вигляді деякого фактора, який передається від батьків потомству. Цей дискретний фактор не що інше, як добре нам тепер відомий ген. Робота Менделя пролила світло на загальну поведінку гена при спадкуванні в ряду поколінь. З цієї роботи випливало, що окремий живий організм-це спосіб, яким ген експресується і увічнює себе. Суть цього подання зображена на рис.1 у вигляді чергування поколінь.

На відміну від заплутаних раніше уявлень про спадковість робота Менделя затвердила генетику як експериментальну науку, ввівши в неї кілька нових підходів. По-перше, початковий набір рослин був "чистим за ознакою": кожна рослина давало в потомстві тільки рослини з даною ознакою і ніколи-з протилежним. Спочатку було вивчено успадкування тільки однієї ознаки. Після цього можна було одночасно досліджувати спадкування двох ознак або більше. Свої експерименти Мендель поставив на кількісну основу, проводячи облік нащадків кожного типу в кожному схрещуванні.

Властивості генів, виявлені в роботі Менделя, сформульовані в його першому і другому законах. Перший закон розглядає особливості індивідуального гена. Організм має дві копії кожного гена, тобто, висловлюючись сучасною мовою, він диплоидов. Тільки одна з двох копій гена потрапляє від батька до нащадка через гамети (статеві клітини). Гамети, зливаючись, утворюють зиготу (запліднене яйце), що несе по одній копії від кожного з батьків. У результаті кожен організм отримає одну батьківську копію гена і одну материнську.

Ген може існувати в альтернативних формах, що проявляється у відмінності ознак - наприклад, червоне забарвлення квітки на противагу білою.

Рис. 1. Коли еукаріоти "увічнюють" свої гени шляхом чергування диплоїдного і гаплоїдного станів, один зі станів переважає у "дорослого" організму, тоді як інше пов'язано з утворенням гамет або зигот. Ссавці і мохи - це крайні приклади. У перших доросле покоління диплоїдно, у других - гаплоїдний.

Червоним кольором вказані диплоїдні (2І) тканини, сірим - гаплоїдні (і) називають алелями. Закон незалежного розщеплення стверджує, що присутні одночасно в одній рослині, ці алелі не змінюють один одного, але розщеплюються, переходячи в різні гамети, при формуванні наступної генерації.

У організму, чистого за ознакою, тобто у гомозиготи обидва алелі однакові. Але схрещування двох батьків, кожен з яких гомозіготен за різними алелями, призведе до утворення гібрида, або гетерозиготний. Якщо один алель домінантою, а інший рецессівен, то організм за своїм зовнішнім виглядом, або фенотипом, буде тільки домінантного типу (так що гетерозиготи не відрізняються від чистого за ознакою домінантного батька).

Але, згідно з першим законом Менделя, генетична конституція, або генотип, гібрида включає в себе обидва алелі. Як показано на рис.2, це можна встановити, якщо схрестити між собою два гібриди і отримати друге покоління. Критичне значення при цьому має той факт, що алелі не змішуються один з одним ("проміжних форм не виявлено"), а зберігають свою фізичну цілісність, взаємодіючи тільки на рівні експресії.

Хоча в дослідах Менделя досліджені ознаки виявляли (на щастя) повне домінування, так буває не завжди. Домінування алелів може бути неповним (частковим) або зовсім відсутніми (що іноді називають до домінантністю). В останньому випадку гетерозиготи відрізняються від гомозигот проміжними властивостями. Наприклад, схрещування рослин лев'ячого зіву з червоними і білими квітами дає рожеві гібриди. 1) одинаковы. Хоча в цьому випадку немає домінування, спостерігається все та ж закономірність - гібриди першого покоління (F 1) однакові. У подальших схрещуваннях гібридів утворяться ті ж чисельні співвідношення, як і при повному домінуванні, хоча замість л чух фенотипів можна розрізнити три.

Незалежність різних генів

У другому законі Менделя затверджується незалежність комбінації різних генів. 1 по-прежнему состоит из одинаковых растений доминантного типа. При схрещуванні рослини, домінантного за двома різними ознаками, з рослиною, у якого ці ознаки рецесивні, F 1, як і раніше складається з однакових рослин домінантного типу. 1 появляются два класса растений. Але при подальшому схрещуванні гібридів F 1 з'являються два класи рослин. Один клас складається з рослин вихідних батьківських типів. Другий клас включає рослини нових фенотипів, з домінантними ознаками одного батька і рецесивними ознаками іншого. Ці фенотипи називають рекомбінантними.

Рис.2. Аллели розщеплюються незалежно.

Два батька гомозиготні: А А має дві копії домінантного алеля; аа має дві копії рецесивного алеля. 1 (первое гибридное поколение) состоит из одинаковых гибридных особей Аа. Кожен утворює лише один тип гамет, так що F 1 (перше гібридне покоління) складається з однакових гібридних особин Аа. Оскільки А домінує над а, фенотип нащадків Аа такий же, як у батька АА (показано кольором). Фенотип рецесивною гомозиготи аа показаний відсутністю кольору. 1 образует гаметы А и а в одинаковом количестве. Кожен гібрид F 1 утворює гамети А і а в однаковій кількості. 2 (второе гибридное поколение), которое будет состоять из \АА: 2Аа: \аа. При схрещуванні об'єднання цих гамет призведе до утворення F 2 (друге гібридне покоління), яке буде складатися з \ АА: 2Аа: \ аа. Так як АА і Аа мають однаковий фенотип, виходить класичне співвідношення домінантної і рецесивного фенотипів-3:

1. 1 будет другим, а в F 2 отношение фенотипов будет: 1 доминантный: 2 промежуточных:! У тих випадках, коли фенотип гетерозиготи займає проміжне положення між батьківськими АА і аа, F 1 буде іншим, а в F 2 ставлення фенотипів буде: 1 домінантний: 2 проміжні:! рецесивний.

На рис.3 показано, що співвідношення нащадків різного типу можна пояснити, припустивши, що в процесі утворення гамет відбувається абсолютно випадкове об'єднання одного з алелів першої ознаки з одним з алелів другого. Чотири можливих типи гамет утворюються в рівних співвідношеннях, при формуванні зиготи наступного покоління вони об'єднуються випадково.

Типове співвідношення фенотипів приховує за собою більшу різноманітність генотипів, що може бути встановлено шляхом поворотного (аналізуючого) схрещування з рецесивним батьком. По суті, ще одне схрещування дозволяє прямо встановити генотип досліджуваного організму (рис. 4).

Закон незалежного розподілу генів, як випливає зі сказаного вище, каже, що поведінка будь-якої пари (або більшого числа) генів можна повністю передбачити з допомогою правил комбінаторики. Розподіл між нащадками (спадкування) одного гена не впливає на розподіл іншого. Ця концепція передбачає, що розподіл генів відбувається зі статистичною ймовірністю, а не зумовлене точно. Чим більше проведено схрещувань, тим точніше буде збігатися з передбаченим співвідношення типів у потомстві.

Роль хромосом у спадковості

Відкриття Менделя не відразу оцінили по достоїнству, оскільки не було жодних уявлень про фізичну основі постуліруемих факторів. , Boveri ), разрешила долгие споры о возможной роли хромосом. Хромосомна теорія спадковості, запропонована одночасно Саттоном і Бовері (Sutton, Boveri), дозволила довгі суперечки щодо можливої ​​ролі хромосом. Вже існували деякі, хоча досить туманні, припущення про те, що хромосоми як-то беруть участь в механізмах наслідування. У 1903 р. нарешті стало ясно, що за своїми властивостями вони точно збігаються з дискретними одиницями спадковості, описаними Менделем.

Клітинна теорія, яка утвердилась в середині дев'ятнадцятого століття, передбачала, що всі організми складаються з клітин і що ці клітини можуть виникати тільки з предсуществующих клітин. Ранні цитологічні дослідження показали, що "типова" клітина складається з щільного ядра, відокремленого мембраною, від менш щільної навколишнього цитоплазми. Всередині ядра з допомогою певних барвників можна було розрізнити зернисті ділянки - хроматин. Незабаром після роботи Менделя було встановлено, що хроматин представлений певною кількістю ниткоподібних утворень, або хромосом.

У більшості клітин хромосоми видно тільки в процесі клітинного поділу. Два типи поділу, притаманні організмам, які розмножуються статевим шляхом, пояснюють і сталість генетичного матеріалу, і процес наслідування у тому вигляді, як це було передбачено законами Менделя.

Клітинний цикл у зростаючого організму складається з двох етапів. Більш довгий період-інтерфаза, коли клітина синтетично активна і зайнята відтворенням своїх компонентів. Потім слідує короткий період-мітоз, інтерлюдія, під час якої фактично завершується процес розділення на дві дочірні клітини. Клітини, що виникають в результаті ряду мітотичних поділів і утворюють цілий організм, називають соматичними клітинами.

Кожна дочірня клітина, яка починає своє життя після мітозу, містить по дві копії кожної хромосоми. Їх називають гомологічними. Загальна кількість хромосом у клітині, відоме як диплоїдний набір, позначають 2п. Типова соматична клітина існує в диплоидном стані (крім того періоду, коли вона готується до поділу або вже ділиться).

У інтерфазі зростаюча клітина подвоює свій хромосомний матеріал. Однак це стає очевидним тільки в наступному мітозі. У мітозі кожна хромосома поділяється вздовж по довжині, створюючи дві копії - сестринські хроматиди. У цей момент клітина містить 4 і хромосом, організованих у 2І пар сестринських хроматид. Іншими словами, в клітині є по дві (гомологічні) копії кожної пари сестринських хроматид. На рис.5 показана послідовність процесів, що забезпечують мітотичний розподіл. Суть полягає в тому, що сестринські хроматиди розтаскуються до протилежних полюсів клітини, так що кожна дочірня клітина отримує по одній копії кожної сестринської хроматиди. Тепер це самостійні хромосоми.4і хромосоми, що існували на початку поділу, розділилися на два набори по 2І хромосом. Цей процес повторюється в наступному клітинному циклі. Таким чином, мітотичний поділ гарантує сталість набору хромосом в соматичних клітинах.

Один батько гомозіготен за двома домінантним генам - по гену А, який визначає колір, і гену В, визначає форму (кругла форма). Інший батько гомозіготен по рецесивним аллелям а і '(відсутність кольору, зморшкувата форма). 1 одинаково-с доминантным фенотипом. Потомство F 1 однаково-з домінантним фенотипом.

1 образуют гаметы, в которых происходят независимое расщепление аллелей и независимая комбинация генов, так что образуется равное количество гамет каждого из четырех возможных типов. Батьки F 1 утворюють гамети, в яких відбуваються незалежне розщеплення алелів і незалежна комбінація генів, так що утворюється рівна кількість гамет кожного з чотирьох можливих типів. Вони з'єднуються випадково і утворюють 9 генотипових класів, які з-за відносин домінантності проявляються у вигляді чотирьох фенотипічних класів: 9 забарвлених гладких: 3 забарвлених зморшкуватих: 3 безбарвних гладких: 1 безбарвний зморшкуватий. Зауважимо, що кожен реципрокні генотип представлений однаковим числом особин, наприклад два батьківського типу (по одному ААВВ і аа'Ь) і два рекомбінантних (по одному кожного рекомбінантного класу АА'Ь і ААВВ). Співвідношення 3: 1 зберігається для кожного незалежно розщеплює ознаки.

Число фенотипічних класів буде більше, якщо один або обидва ознаки не виявляють повного домінування (в цьому випадку гетерозиготи відрізняються від будь-якої гомозиготи). Їх буде менше, якщо два гени діють на одну ознаку. 2 наблюдалось бы соотношение 9 окрашенных: 7 бесцветных. Так, якщо б обидва гена А а В були потрібні для розвитку забарвлення, то у гібридів F 2 спостерігалось б співвідношення 9 забарвлених: 7 безбарвних.

Рис. 3.

Рис.4. Ще Одне схрещування з рецесивною гомозиготой використовується для визначення генотипу.

Співвідношення гамет, утворених рослиною з невідомим генотипом, відображає зазвичай незалежне розщеплення алелів і незалежну комбінацію генів. Генотип кожної гамети з'ясовується безпосередньо в схрещуванні з гаметою, що несе тільки рецесивні алелі.

Іншої мети служить процес утворення статевих клітин (гамет, тобто яйцеклітин або сперматозоїдів), який відбувається при іншому типі розподілу. Цей шлях поділу зображений на Рис.6. У процесі мейозу утворюються клітини, що містять гаплоидное число (і) хромосом. Цей процес включає в себе два послідовних розподілу. І в цьому випадку хромосоми спочатку подвоюються, так що клітина приступає до поділу в стані 4 і.

На початку першого поділу гомологічні пари сестринських хроматид кон'югують (з'єднуються попарно), утворюючи біваленти. Кожен бівалентів містить всі чотири копії одного гомолога, перебувають у клітині. У першому розподілі кожен бівалентів розщеплюється на дві пари сестринських хроматид, розділених у свою чергу на полухроматіди. пар сестринских хроматид каждый. У результаті утворюються два набори по 2п хромосом, з з пар сестринських хроматид кожен.

Далі слідують другі мейотичний поділ, в якому обидва набору 2п діляться ще раз. Цей поділ формально подібно мітотичного поділу, оскільки в різні дочірні клітини потрапляє за однією з копій кожної пари сестринських хромосом.

Загальний результат мейозу полягає в тому, що вихідне число хромосом 4п ділиться на чотири гаплоїдні клітини, що дають початок зрілим яйцеклітинам або сперматозоїдам.

При формуванні гамет гомологи батьківського і материнського походження поділяються так, що кожна гамета одержує тільки один з двох гомологів своїх батьків. Суттєвим моментом у цьому процесі є той факт, що в повній відповідності до законів Менделя спостерігається незалежність сегрегації хромосом. Кожен член однієї гомологічної пари входить до гамету у випадковому поєднанні з будь-яким членом іншої гомологічної пари.

Рис. 5. Мітоз забезпечує сталість хромосомного складу клітини. Одна пара гомологічних хромосом (позначена білим) походить від одного з батьків, інша (забарвлена) - від другого батька. Диплоїдна клітина має по дві копії кожної хромосоми (загальне число 2п). Перед митозом хромосоми подвоюються, і профаза, отже, починається з стану 4п. Два члени кожної пари поділяються на дві окремі хромосоми, які потім розходяться в різні дочірні клітини. При цьому відновлюється диплоидное число 2п, так що дочірні клітини мають той же набір хромосом, що і батьківська клітина.

Підсумуємо паралелі між хромосомами і менделєєвської одиницями наслідування. Гени зустрічаються в алельних парах - по одному аллелю від кожного батька в кожній парі; диплоїдний набір хромосом утворюється з двох гаплоїдних батьківських наборів. Розподіл неалельних генів у гаметах відбувається незалежно; негомологичностью хромосоми піддаються незалежній сегрегації. Критичне умова, що полягає в тому, щоб кожна гамета отримувала повний гаплоїдний набір, виконується незалежно від того, розглядаємо ми цей процес як сегрегацію хромосом або як розподіл елементарних факторів спадковості.

Гени розташовуються у хромосомах

Тільки встановивши, що певний ген завжди присутня в певній хромосомі, можна довести, що гени знаходяться в хромосомах. , обнаруженного Морганом в 1910 г. Этот белоглазый самец появился спонтанно в линии мух с обычными красными глазами. Такий доказ було отримано завдяки властивостям одного варіанта плодової мушки Drosophila melanogaster, виявленого Морганом в 1910 р. Цей білоокий самець з'явився спонтанно в лінії мух з звичайними червоними очима.

Оскільки зазвичай зустрічаються мухи з червоними очима, їх назвали диким типом; білі ж очі - це мутантний фенотип. Подія, що приводить до виникнення мутантного фенотипу, являє собою генетичне зміна,, зване мутацією. У результаті більшості мутацій (але не всіх) функціонування відповідного гена порушується частково або повністю. Тому вивчення мутацій, як правило, зводиться до вивчення неактивних алелів. Іноді відбуваються зворотні мутації (реверсії), тобто такі зміни в генетичному матеріалі, які відновлюють початковий стан, - явище, зване реверсією до дикого типу.

Рис. 6. У мейозі число хромосом зменшується вдвічі. На малюнку показано поведінку однієї пари гомологічних хромосом. Обидва члени пари були подвоєні перед початком профази. Під час першого поділу відбувається спарювання гомологічних хромосом, а потім кожна пара розходиться в різні клітини. Під час другого поділу дуплицировать члени кожної пари розходяться в різні клітини, так що кожна гамета одержує по одній копії. У клітці зазвичай знаходиться кілька пар гомологічних хромосом, і члени кожної пари комбінуються між собою незалежно один від одного. Таким чином, підбір гомологічних хромосом (материнської та батьківської) в кожній гамете відбувається випадково.

удалось локализовать в определенной хромосоме потому, что она оказалась связанной с полом. Мутацію white вдалося локалізувати в певній хромосомі тому, що вона виявилася пов'язаною з підлогою. Зазвичай гомологічні пари хромосом при розбіжності в мейозі утворюють ідентичні гаплоїдні набори. Однак у багатьох організмів, що розмножуються статевим шляхом, існує одне виключення з цього загального правила: самці і самки можуть мати видимі відмінності в хромосомних наборах. Найчастіше у однієї із статей одна хромосомна пара складається з різних хромосом.

Таку пару називають статевими хромосомами, а решта гомологічні пари - аутосомами. , где гаплоидный набор аутосом обозначают как А, а две половые хромосомы - как X и Х Пол с хромосомным набором 2А + XX называют гомогаметным; у него образуются только гаметы А + Х. Пол с набором 2А + Ч Х называют гетерогаметным, так как у него образуются в одинаковом количестве гаметы двух типов: А + Х и Б+Х. В результате случайного со единения гамет одного пола с гаметами другого пола постоянно сохраняется равное соотношение полов при образовании зигот. Хромосомні набори двох статей можна записати наступним чином: 2А + XX і 2А + XY, де гаплоїдний набір аутосом позначають як А, а дві статеві хромосоми - як X і Х Підлога з хромосомним набором 2А ​​+ XX називають гомогаметним, і в нього утворюються тільки гамети А + Х. Підлога з набором 2А ​​+ Ч Х називають гетерогаметним, так як у нього утворюються в однаковій кількості гамети двох типів: А + Х і Б + Х. У результаті випадкового зі єднання гамет однієї статі з гаметами іншої статі постійно зберігається рівне співвідношення статей при утворенні зигот. гомогаметным полом являются самки. У Drosophila гомогаметним підлогою є самки.

Хромосоми з червоним алелем (домінантним)

Отсутствие аллеля в хромосоме (= рецессивному аллелю) О Красноглазая муха СЗ Белоглазая муха Хромосома з білим алелем (рецесивним) Х Відсутність аллеля в хромосомі (= рецесивним аллелю) Про червоними муха СЗ білоока муха

Рис.7. Гени Х-хромосоми успадковуються зчеплене зі статтю. Червона або біле забарвлення очей у самця залежить тільки від Х-хромосоми, отриманої ним від матері. Фенотип самки залежить від того, чи отримає вона домінантний алель від одного з батьків. При цьому спостерігається характерний тип перехресного успадкування, зчепленого з підлогою, - від батька до дочок, від матері до синів (Крісс-крос).

З законів Менделя випливає, що результати генетичного схрещування повинні бути однакові незалежно від того, кому з батьків належить даний алель. дают различные результаты (рис.7). Але реципрокні схрещування з ознакою "білі очі" у Drosophila дають різні результати (рис.7).

красноглазая самка дает лишь красноглазое потомство F 1, что и можно было предсказать, если красный цвет доминантен, а белый рецессивен. Схрещування білоокий самець год червоними самка дає лише червоноокі потомство F 1, що і можна було передбачити, якщо червоний колір домінантою, а білий рецессівен. 2 все появившиеся белоглазые мухи оказались самцами. Але в потомстві F 2 всі з'явилися білоокі мухи виявилися самцями. белоглазые самки все самцы F 1 были с белыми глазами, а все самки-с красными. У реципрокной схрещуванні червоноокі самці год білоокі самки всі самці F 1 були з білими очима, а всі самки-з червоними. 2 в равном соотношении появились белые и красные глаза у обоих полов. При їх схрещуванні в потомстві F 2 в рівному співвідношенні з'явилися білі і червоні очі в обох статей.

Цей приклад наслідування суворо обумовлений статевими хромосомами. -хромосома вообще не содержит локуса для окраски глаз, фенотип самца будет определяться единственным аллелем, находящимся в Х-хромосоме. Якщо алелі червоних і білих очей знаходяться в Х-хромосомі, і при цьому Х-хромосома взагалі не містить локусу для забарвлення очей, фенотип самця буде визначатися єдиним алелем, що знаходяться в Х-хромосомі. Цей алель перейде до всіх дочкам, але жоден з синів його не отримає. Даний випадок є типовим прикладом наслідування, зчепленого з підлогою.

Гени лінійно збудовані вздовж хромосом

Незалежна сегрегація хромосом, що відбувається в мейозі, пояснює незалежну комбінацію генів, розташованих у різних хромосомах. Але, як відомо, загальна кількість генетичних чинників значно більше, ніж число хромосом. Отже, якщо всі гени розташовані в хромосомах, то кожна хромосома повинна містити багато генів. Які ж стосунки між цими генами?

) сообщил об изучении наследования шести сцепленных с полом мутаций. Про стрімкому темпі розвитку генетики на початку століття свідчить той факт, що в 1913 р., всього лише через три роки після повідомлення про перший білоокої мутант, Стертевант (Sturtevant) повідомив про вивчення успадкування шести зчеплених зі статтю мутацій. ) показал, что каждый из этих факторов ведет себя в скрещиваниях так же, как красная и белая окраска глаз. У 1911 р. Морган (Morgan) показав, що кожен з цих факторів веде себе в схрещуваннях так само, як червона і біла забарвлення очей. Отже, кожен фактор повинен розташовуватися в Х-хромосомі.

Деякі з факторів виявилися пов'язаними між собою. 2 оказалась выше предполагаемой, что объяснялось пониженным образованием рекомбинантных типов в этом поколении. Всупереч другому закону Менделя, частка батьківських генотипів в F 2 опинилася вище передбачуваної, що пояснювалося зниженим утворенням рекомбінантних типів у цьому поколінні. Тенденція деяких ознак залишатися пов'язаними, замість того щоб комбінуватися незалежно, була названа зчепленням. На рис.8 показано, як вимірюють зчеплення.

Морган припустив, що причина генетичного зчеплення факторів - це "просто механічний результат їх локалізації в одній хромосомі". Він припустив також, що освіта генетичних рекомбінантів можна ототожнити з процесом кросинговеру, спостережуваного в мейозі. У ранньому мейозі, на стадії, коли чотири копії кожної хромосоми представлені у вигляді бівалентів, між близько розташованими (кон'югованого) гомологічними парами відбувається попарний перехрест генетичного матеріалу, названий хиазмой. Цей процес схематично зображено на рис.9.

Забіжимо на кілька років вперед. Тільки в 1931 р. було формально доведено, що рекомбінація обумовлена ​​кросинговером. У кукурудзи і у дрозофіли були отримані відповідні транслокації, при яких відірвана частина однієї хромосоми прикріпилась до іншої. Це дозволяє відрізнити за зовнішнім виглядом хромосому з транслокацією від нормальної хромосоми. Як зображено на рис.10, в подібних схрещуваннях можна показати, що освіта генетичних рекомбінантів відбувається тільки при фізичному обміні між відповідними областями хромосом.

Хромосоми зображені у вигляді забарвлених смужок. Гени гетерозиготного батька позначені чорними літерами, гени батька, рецесивним за двома ознаками, кольоровими літерами. Це схрещування відноситься до того ж типу, що і схрещування, показане на рис.4. У схрещуванні, зображеному зверху, одна хромосома несе обидва домінантних алелі, інша - обидва рецесивних (схрещування з алелями "у фазі тяжіння"). , рекомбинантные типы- zli и аВ. Таким чином, батьківські типи є АВ і ab, рекомбінантні типи-zli і аВ.

У схрещуванні, зображеному знизу, одна хромосома гетерозиготи несе один домінантний і один рецесивний алель, а інша хромосома несе протилежну комбінацію (схрещування з алелями "у фазі відштовхування"). Отже, батьківські типи - це АЬ і аВ, рекомбінантні - АВ і а'. У кожному разі в потомстві спостерігається збільшення частки батьківських типів (70%) і зменшення частки рекомбінантних типів (30%) у порівнянні з 50% для кожного типу, що очікувалося б при незалежній комбінації генів. Зауважимо, що у потомстві, отриманому від цих схрещувань, дві батьківські типу присутні в однаковій кількості; однаково і кількість двох рекомбінантних типів. Зчеплення в даному випадку між А і В дорівнює 30%, або 30 умовним одиницям карти.

Якщо ймовірність утворення хіазми між двома точками в хромосомі залежить від відстані між ними, гени, розташовані ближче один до одного, будуть успадковуватися разом. У міру збільшення відстані між двома генами зростає і ймовірність кросинговеру між ними. Таким чином, якщо рекомбінація обумовлена ​​кросинговером, гени, що знаходяться близько один до одного, повинні бути тісно зчеплені, причому генетичне зчеплення буде зменшуватися в міру фізичного видалення. І навпаки, генетичне зчеплення можна використовувати як міру фізичної відстані.

) предложил использовать частоту рекомбинации в качестве единицы расстояния на карте для измерения относительной локализации генов. Виходячи з уявлення про те, що гени однієї хромосоми зчеплені між собою, Стертевант (Sturtevant) запропонував використовувати частоту рекомбінації в якості одиниці відстані на карті для вимірювання відносної локалізації генів. Ця одиниця відстані виражається як відсоток рекомбінації:

Відстань вимірюється в умовних одиницях карти; одна одиниця карти (сантіморганіда) відповідає 1% рекомбінантних нащадків. Основні закономірності рекомбінації були встановлені при вивченні всіх шести зчеплених зі статтю ознак разом. Індивідуальні відстані на карті аддитивно. Іншими словами, якщо два гени А і В знаходяться на відстані 10 од. до С равно 5 ед., то расстояние между А и С, полученное при прямом измерении, будет близко к 15. один від одного, а відстань від в до С дорівнює 5 од., то відстань між А і С, отримане при прямому вимірі, буде близько до 15. Тому гени можна розташувати в лінійному порядку.

Критичне значення для побудови генних карт має той факт, що відстань між генами не залежить від використаних алелів, а залежить тільки від положення генних локусів. Локус-це місце в хромосомі, в якому знаходиться ген даної ознаки. Всі різні альтернативні форми гена, тобто алелі, використовувані при картуванні, знаходяться в одному і тому ж локусі. Таким чином, генетичне картування дозволяє встановити взаємну локалізацію генних локусів, розташованих в хромосомі в певному місці і в лінійному порядку. В експериментах з картированию один і той же результат виходить незалежно від конкретної комбінації алелів (рис.8). Стертевант уклав, що його результати "служать новим доказом на користь хромосомної теорії спадковості, оскільки вони переконливо показують, принаймні математично, що досліджувані фактори розташовані у вигляді лінійних рядів".

Цей висновок представляє великий інтерес. Можна побудувати генетичну карту, в якій хромосома буде зображена у вигляді лінійного ряду генів. Однак це ще не доводить, що генетичне зміст хромосоми представлено фізично безперервну низку генів. Розглядалася безліч інших моделей хромосоми, поки не стало очевидним, що хромосома складається тільки з однієї-єдиної нитки генетичного матеріалу.

Група зчеплення включає в себе всі гени, які прямо або опосередковано зчеплені між собою. Гени, розташовані поруч, зчеплені між собою прямо; гени ж, віддалені один від одного більш ніж на 50 од. карти, розподіляються практично незалежно. Оскільки зчеплення діє на видовженому ділянці, кожен новий ідентифікований ген в організмі можна помістити поряд з групою генів, вже картіровани раніше. Таким чином, гени розпадаються на дискретне число груп зчеплення. Гени однієї з груп зчеплення завжди незалежно комбінуються з генами інших груп.

Кількість груп зчеплення збігається з числом хромосом. Відносна довжина груп зчеплення аналогічна відносними розмірами хромосом. На рис.11 як приклад розглядаються хромосоми дрозофіли, у яких виявилося легко виміряти довжину. Сформульована Менделем концепція гена як дискретного елементарного чинника спадковості може бути розширена в концепцію, яка розглядає хромосому як протяжну одиницю, що складається з багатьох генів. Фізичне положення генів лежить в основі їх генетичного поведінки.

Генетичні карти безупинні

На тих генетичних картах вищих організмів, які були встановлені в першій половині цього століття, гени були розташовані як намисто на нитці. Вони були закріплені в певному порядку, і генетичну рекомбінацію представляли як обмін відповідними ділянками нитки між гомологічними хромосомами. До того ж ген з усіма своїми властивостями виступає як таємничий об'єкт (бусинка), чиє взаємовідношення з її оточенням (ниткою) абсолютно не ясно.

Через невеликого числа нащадків, одержуваних у результаті схрещування, при побудові рекомбінаційних карт досягається лише роздільну здатність.

фага Т4, участвующими в лизисе бактериальной клетки. Будова індивідуального локусу було досліджено в серії дослідів з генами rll фага Т4, які беруть участь у лізису бактеріальної клітини. Мутації в цих генах викликають швидкий лізис. Були підібрані такі умови досвіду, коли при спільному інфікуванні бактерій двома ГП-мутантами фага потомство утворюється лише за умови, що в результаті рекомбінації мутантних фагів з'явиться фаг дикого типу. Частота рекомбінації при цьому також залежала від відстані між мутаціями, як і у випадку еукаріотичної хромосоми.

Висока роздільна здатність цього підходу, завдяки селективної методикою, дозволяє кількісно оцінити навіть самі рідкі рекомбінаційні події, а це дає можливість вимірювати відстань по карті для будь-якої пари мутацій. (Єдиним обмеженням цього методу є частота зворотних мутацій, або "реверс", до дикого типу. Ця частота становить приблизно 0,0001%. Таким чином, щоб досягти мінімального рівня вимірювань, що перевищує в 10 разів фон спонтанних мутацій, можна вимірювати тільки рекомбінаційні частоти вище 0,001%)

Було проаналізовано приблизно 2400 мутацій, що дало можливість ідентифікувати 304 різних мутантних сайту. (Якщо дві мутації не рекомбинировали між собою, їх приймали за два спонтанні мутації одного і того ж генетичного сайту) Досліджені мутації можна було розташувати в лінійному порядку. З цього випливало, що сам ген має той же лінійний принцип будови, що і гени в хромосомі. З цих даних випливає, що генетична карта лінійна як всередині генів, так і між ними, тобто вона являє собою безперервну послідовність, що включає в себе всі гени.

Один ген - один білок

До 1945 р. було лише відомо, що гени - це основні одиниці спадковості. Але яким шляхом вони виконують свою функцію, залишалося неясним. Гени можна було ідентифікувати, тільки виходячи з мутацій, що викликають деякі відхилення від норми у фенотипі, причому ступінь відхилення варіювала від зміни однієї ознаки (такого, як колір очей) до вкрай різких морфологічних перебудов, які зачіпають ряд тканин організму. Майже у всіх випадках ефект мутації аналізували тільки на описовому рівні. Однак припускали, що існує деяка загальна основа мутаційних впливів.

Ідея про те, що дія мутаційних факторів опосередковано ферментами, виникла майже одночасно з відродженням генетики. ) высказал мнение, что болезнь человека – алкаптонурия - обусловлена нарушением какой-то метаболической реакции, катализируемой ферментом. У роботах, проведених з 1902 по 1908 р., Геррод (Garrod) висловив думку, що хвороба людини - алкаптонурія - обумовлена ​​порушенням якийсь метаболічної реакції, що каталізується ферментом. Його фраза - "вроджені помилки метаболізму" - містить у собі концепцію, згідно з якою генетичний дефект може призвести до порушення певного метаболічного процесу, обумовлюючи тим самим спостережуваний фенотип. У наступні три десятиліття накопичилися приклади впливу специфічних мутацій на певні біохімічні реакції. Основні труднощі досліджень цього періоду полягала в тому, що доводилося задовольнятися випадково відібраними мутаціями, не завжди придатними для біохімічного вивчення.

, не способные расти на минимальной среде. За допомогою рентгенівського опромінення були індуковані мутанти Neurospora, не здатні рости на мінімальній середовищі. Біохімічну природу дефекту можна було встановити. Для цього було досить визначити, додавання якого саме речовини в середу дозволяє зростати мутантному штаму. У кожного мутанта блокована певна метаболічна стадія і кожної такої стадії у штаму дикого типу відповідав один певний фермент. Якщо якийсь субстрат утилізується в результаті цілої серії метаболічних реакцій, мутація, яка порушує будь-яку з цих реакцій, може блокувати всю серію реакцій. Про це свідчить накопичення метаболічного попередника того з'єднання, яке утворюється на блокованої щаблі синтезу. На рис.12 зображено приклад шляху біосинтезу очного пігменту дрозофіли, послідовні етапи якого добре узгоджуються з розглянутою вище схемою.

До 1945 р. результати цього аналізу лягли в основу гіпотези: "Один генодін фермент". Відповідно до цієї гіпотези, кожну метаболічну щабель каталізує окремий фермент, за утворення якого відповідає один ген. Мутація в гені може призвести до втрати активності відповідного білка. Оскільки мутація - подія випадкове і, отже, може пошкодити будь-яку ділянку гена, то найбільш імовірно, що вона порушить функцію гена. Тому в результаті більшості мутацій утворюються нефункціональні гени. Однак це аж ніяк не єдиний наслідок мутації: у результаті мутації іноді відбувається не втрата функції, а її зміна.

З цих позицій легко пояснити природу рецесивних мутацій: у них порушена функція гена, тому що мутація перешкоджає утворенню потрібного ферменту. Однак, як показано на рис.13, в гетерозиготі, що містить один ген дикого типу і один мутантний ген, ген дикого типу може забезпечити необхідну функцію. Тому ген дикого типу домінанту. (Іншими словами, для утворення необхідної кількості білка достатньо наявності одного алеля дикого типу. Якщо ж це не так, тобто коли один алель забезпечує меншу кількість білка, ніж те, яке має місце за наявності двох алелів, спостерігається проміжний фенотип. У таких випадках ген дикого типу лише частково домінанту або кодомінантен)

) показал, что серповидно-клеточная анемия, наследуемая как моногенный признак, обусловлена изменением аминокислотного состава белка гемоглобина. Прямого доказу того, що ген дійсно детермінує структуру білка, довелося чекати до 1957 р., коли Інгрем (Ingram) показав, що серповидно-клітинна анемія, що успадковується як моногенних ознака, обумовлена ​​зміною амінокислотного складу білка гемоглобіну.

Деякі білки складаються більш ніж з однієї субодиниці. Їх називають мультімернимі. Якщо субодиниці білка однакові, то білок гомомультімер, що детермінується одним геном. Якщо ж субодиниці білка різні, то білок називають гетеромультімером. Гемоглобін є прикладом білка, що складається більш ніж з одного типу поліпептидних субодиниць. -субъединицами. Група гема пов'язана з двома ос-субодиницями і двома по-субодиницями. Кожен тип субодиниць - інша поліпептидний ланцюг і продукт іншого гена. либо в -субъединицу. Таким чином, функція гемоглобіну може бути пригнічена мутацією в будь-якому з генів, що кодують або б-, або по-субодиницю. У зв'язку з цими даними гіпотеза "один ген - один фермент" була сформульована в більш загальному вигляді, щодо будь гетеромультімерному білку. Тепер вона отримала більш точний вираз: "один ген - одна поліпептидний ланцюг".

Нове визначення: цистрон

Якщо рецесивна мутація-це будь-яка зміна в гені, що перешкоджає утворенню активного білка, то в кожному гені може статися безліч таких мутацій, так як багато амінокислотні заміни можуть істотно змінити структуру білка і порушити його функцію.

Але яким чином відрізнити множинні алелі від мутацій в генах, тісно зчеплених і зачіпають один і той же фенотипический ознака?

Але якщо мутації лежать в різних генах, батьківські генотипи можна позначити як (т, +) і (+ т 2), де кожен має аллель дикого типу одного гена і мутантний алель - іншого гена. (Знак плюс використовують для позначення дикого типу) Тоді у гетерозиготи буде генотип

в якому обоє батьків разом забезпечують по "дикої" копії кожного гена. Така гетерозигота має дикий фенотип, а про гени говорять, що вони комплементіруют один одного.

Розглянемо більш детально комплементаціонний тест за допомогою рис.14, на якому представлені досліджувані генотипи з двох можливих конфігураціях. При конфігурації обидві мутації знаходяться в одній і тій же хромосомі. При трансконфігураціі вони розташовані в протилежних хромосомах.

Спочатку розглянемо приклад, коли мутації лежать в одному і тому ж гені. Транс-конфігурація відповідає тесту, який ми тільки що описали. Обидві копії гена в цьому випадку мутантні. / uc -конфигурации, однако, один геном производит дважды мутантный белок, а другой-белок дикого типа. При i / uc-конфігурації, проте, один геном виробляє двічі мутантний білок, а інший-білок дикого типу. Таким чином, якщо досліджувані мутації лежать в одному гені, фенотип гетерозиготи визначається їх взаємним розташуванням: при транс-конфігурації фенотип - мутантний, а при цис-конфігурації - дикого типу. І навпаки, якщо мутації лежать в різних генах, їх взаємне розташування значення не має. Для кожного гена в обох конфігураціях є по одній мутантної копії і по копії дикого типу.

З цього випливає, що при цис-конфігурації результат не залежить у різних генах. ДМС-варіант використовують в основному як "формальний контроль для виявлення функції дикого типу, по відношенню до якого судять про наявність чи відсутність комплементації при транс-конфігурації).

Якщо дві мутації не комплементіруют при трансконфігураціі, то робиться висновок, що обидві вони порушують одну і ту ж функцію. Такі мутації відносять до однієї групи комплементації. /7-области фага Т4 все мутации распределились на две группы комплементации; в каждой из этих групп мутантные сайты расположились в линейном порядке. При аналізі r / 7-області фага Т4 всі мутації розподілилися на дві групи комплементації; в кожній з цих груп мутантні сайти розташувалися в лінійному порядку. и внутри группы rllB никакие две мутации не комплементировали друг друга, но любая мутация rllA была комплементарна любой мутации rllB . Усередині групи rllA й усередині групи rllB ніякі дві мутації не комплементіровалі один одного, але будь-яка мутація rllA була комплементарна будь мутації rllB. /7-мутации соответствуют двум соседним группам комплементации, затрагивающим одну и ту же фенотипическую функцию. Ці дані говорять про те, що r / 7-мутації відповідають двом сусіднім групам комплементації, що зачіпають одну і ту ж фенотипическую функцію.

Однак іноді спостерігається виняток із правила, що комплементіровать можуть тільки різні гени, - це в тому випадку, коли ген кодує поліпептид, що представляє собою субодиницю гомомультімерного білка. У клітці дикого типу активний білок складається з декількох ідентичних субодиниць. У клітці, що містить два різних мутантних алелі, їх продукти можуть змішуватися, утворюючи мультімерние білки з субодиниць обох типів. Іноді відбувається взаємна компенсація мутацій, і в такому випадку білок зі змішаними субодиницями може бути активний, тоді як білки, що містять тільки по одному типу мутантних субодиниць, неактивні. Таке явище називають міжалельних комплементації.

Підводячи підсумок, можна сказати, що описаний генетичний аналіз привів до подання про ген як про серію послідовних сайтів в геномі. Передбачалося, що ця серія сайтів бере участь в утворенні одиничного транс-активного продукту, тобто поліпептидного ланцюга. Але незабаром ми побачимо, що це визначення стало вже недостатньо точним.

Зауваження, що стосуються термінології

Перш ніж ми перейдемо до молекулярного аналізу гена, розглянемо термінологію, використовувану для опису генетичних локусів і детермініруемих ними ознак.

Під терміном генетичний маркер часто мається на увазі той чи інший ген, який використовується для картування або для ідентифікації конкретного локусу. Можна сказати, наприклад, що клітина несе певний набір маркерів, тобто алелів.

Літерні символи генотипу завжди набирають курсивом; фенотип позначають за допомогою тих самих символів, але набраних прямим шрифтом. Під терміном "дикий тип" мають на увазі нормальну активну форму гена, або нормальний фенотип. Для позначення "дикого типу" можна використовувати також знак плюс над назвою локусу. Іноді для позначення алелі дикого типу використовують знак "+" сам по собі (без символу відповідного локусу), а локус вказують тільки для мутантного алеля. Повністю дефектну форму гена (або відсутність конкретного фенотипического ознаки) іноді позначають за допомогою знака мінус у верхньому індексі. При описі безлічі мутантних алелей, щоб розрізняти їх один від одного, вводять додаткові індекси. (белые глаза) у D . melanogaster можно обозначить w + (красный цвет глаз) в случае аллеля дикого типа, w '-в случае мутантного аллеля (глаза цвета слоновой кости- ivory ), w a - B случае другого мутантного аллеля (глаза абрикосового цвета- apricot ) и т.д. Наприклад, локус w (білі очі) у D. Melanogaster можна позначити w + (червоний колір очей) у разі алелі дикого типу, w '-у разі мутантного алеля (очі кольору слонової кістки-ivory), w a - B випадку іншого мутантного алелі (очі абрикосового кольору-apricot) і т.д.

Для позначення генів користуються скороченнями, причому для позначення різних генетичних систем використовуються різні позначення. Для більшості еукаріотичних систем немає обмежень у використовуваній формі скорочення. Згідно із загальним правилом, скорочення, прийняте для позначення домінантного алеля, пишеться з великої літери (для дріжджів символ цілком пишуть великими літерами), позначення рецесивних алелей - малими.

При описі бактерій використовують стандартну трьохбуквені номенклатуру. Одне і те ж скорочення з трьох малих літер служить символом для всіх генів, що порушують один і той самий ознака. Кожен індивідуальний ген позначають додаткової великої літери. , известных как lacZ , lacYn lac А. Існує, наприклад, серія генів lac, відомих як lacZ, lacYn lac А. будет обозначен как lacZ + , а мутант-как lacZ ~. Аллель дикого типу гена lacZ буде позначений як lacZ +, а мутант-як lacZ ~. Ті ж самі скорочення використовуються для опису фенотипу, але в цьому випадку вони пишуться не курсивом, а прямо і починаються з великої літери. + и Lac - . Так, дикий і мутантний ас-алелі визначають відповідні фенотипи Lac + і Lac -. -это фермент в -галактозидаза. Продукт гена - це фенотипический ознака даного гена, і зображується він відповідно; наприклад, білок LacZ-це фермент по-галактозидаза.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
96.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Аеробіка медична точка зору
Точка зору на автотранспортну екологію
Островський а. н. - Чия точка зору мені ближче
Що таке диявол З точки зору біолога
Як ген хромосома і клітина протидіють середовищі і уникають загибелі
Толстой л. н. - Що таке людина і що таке життя в зображенні товстого в романі
Що таке аускультація перкусія пальпація Прилади для аускультації Що таке ЕКГ місце електрод
Точка беззбитковості
Генетична інженерія
© Усі права захищені
написати до нас