Сиволоб А.В., Рушковський С.Р., Кир’яченко С.С. та ін. Генетика. Підручник

Подождите немного. Документ загружается.

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ГЕНЕТИКА

Підручник

Затверджено

Міністерством освіти і науки України

як підруч ник біологічних спеціальностей університетів

УДК 575(075.8)

ББК 28.04я73

Г34

Рецензенти:

д-р мед. наук, проф. І.Р. Бариляк,

д-р біол. наук, проф. О.М. Дуган,

д-р біол. наук, проф. В.В. Філоненко

За редакцією д-ра біол. наук., проф. А.В. Сиволоба

Затверджено до друку Вченою радою

Київського національного університету імені Тараса Шевченка

5 березня 2007 року

Авторський колектив: д-р біол. наук, проф. А.В. Сиволоб (розд. 1, 2, 3, 5, 6, 9);

канд. біол. наук, доц. С.Р. Рушковський (розд. 4, 6, 7); канд. біол. наук, асист. С.С.

Кир’яченко (розд. 6, 9); канд. біол. наук, асист. К.С. Афанасьєва (розд. 4, 6); канд.

біол. наук, доц. В.Ф. Безруков (розд. 8); канд. біол. наук, доц. І.А. Козерецька (розд.

3); д-р біол. наук, проф. С.В. Демидов (розд. 9).

Сиволоб, А.В.

Г34 Генетика : підручник / А.В. Сиволоб, С.Р. Рушковський, С.С. Кир’яченко та ін. ;

за ред. А.В.Сиволоба. – К. : Видавничо-поліграфічний центр "Київський універси-

тет", 2008. – 320 с.

ISBN 975-966-439-108-2

Викладено

сучасні уявлення про механізми спадковості й мінливості. Описано

принципи молекулярної генетики, закономірності спадкування ознак, механізми мін-

ливості генетичного матеріалу, особливості генетичних процесів у про- та еукаріотів, у

тому числі в людини, а також основи генетики популяцій і генетичної інженерії.

Для студентів біологічних спеціальностей університетів, медичних і аграрних вищих

навчальних закладів, а також для аспірантів і науковців, які цікавляться генетикою.

Іл. 135. Бібліогр.: 52.

Гриф надано Міністерством освіти і науки України

(лист № 1.4/18-Г-808 від 04.04.08)

ББК 28.04я73

УДК 575(075.8)

ISBN 975-966-439-108-2

Видавничо-поліграфічний центр "Київький університет", 2008

ЗМІСТ

Вступ .............................................................................................................. 7

Розділ 1. Природа генетичного матеріалу ................................................. 9

Структура ДНК ............................................................................................ 9

Хімічна будова нуклеїнових кислот ......................................................... 9

Подвійна спіраль.................................................................................... 12

Білково-нуклеїнові взаємодії.................................................................. 15

Шлях передачі інформації в живих системах:

"центральна догма" молекулярної генетики............................................... 17

ДНК як генетичний текст: організація геномів ......................................... 18

Структурна організація ДНК у клітинах.................................................... 22

Структура хроматину ............................................................................ 23

Хромосоми ............................................................................................. 26

Реплікація ДНК .......................................................................................... 29

Репарація ДНК........................................................................................... 35

Пряма репарація.................................................................................... 35

Ексцизійна репарація............................................................................ 36

Репарація некомплементарних пар основ – місметчів .......................... 38

Неточний синтез ДНК............................................................................ 39

Репарація дволанцюгових розривів....................................................... 41

Гомологічна рекомбінація ДНК.................................................................. 42

Клітинний цикл і клітинний поділ в еукаріотів ......................................... 47

Базові закономірності спадкування .......................................................... 50

Розділ 2. Експресія генів............................................................................ 53

Генетичний код ......................................................................................... 54

Синтез білків.............................................................................................. 57

Транспортні РНК.................................................................................... 57

Рибосома й механізм трансляції ............................................................ 59

Експресія генів у прокаріотів.................................................................... 62

Транскрипція......................................................................................... 62

Регуляція транскрипції .......................................................................... 66

Експресія генів в еукаріотів ...................................................................... 70

Ініціація транскрипції ........................................................................... 71

Елонгація транскрипції, процесинг і термінація синтезу мРНК............ 79

Особливості білкового синтезу в еукаріотів ........................................... 76

Регуляція генної експресії в еукаріотів...................................................... 77

Регуляція транскрипції .......................................................................... 77

РНК-інтерференція ................................................................................ 82

Альтернативний сплайсинг.................................................................... 82

Що таке ген? .............................................................................................. 84

Розділ 3. Формальна генетика: закономірності спадкування ознак ...... 89

Закони Менделя......................................................................................... 90

Моногібридні схрещування.................................................................... 91

Взаємодія алелів одного гена ................................................................. 93

Дигібридні й полігібридні схрещування ................................................ 95

Відхилення від менделівських розщеплень................................................ 96

Установлення факту відхилення: критерій

....................................... 96

Причини статистично значущих відхилень від менделівських розщеп-

лень ........................................................................................................ 99

Взаємодія неалельних генів ..................................................................... 101

Кількісні ознаки....................................................................................... 108

Хромосоми як групи зчеплення генів ...................................................... 112

Спадкування ознак, зчеплених зі статтю ............................................ 113

Кросинговер............................................................................................. 115

Генетичні наслідки обмінів ділянками

між гомологічними хромосомами ........................................................ 115

Подвійний кросинговер ....................................................................... 118

Інтерференція ...................................................................................... 120

Конверсія гена ..................................................................................... 122

Нерівний кросинговер ......................................................................... 122

Мітотичний кросинговер ..................................................................... 123

Розділ 4. Мінливість генетичного матеріалу......................................... 125

Типи мутацій ........................................................................................... 126

Молекулярні механізми мутаційної мінливості........................................ 131

Пошкодження ДНК, що виникають у процесі

життєдіяльності клітини ...................................................................... 131

Помилки реплікації та репарації.......................................................... 133

Механізми виникнення поліплоїдій і анеуплодій................................. 136

Індукція мутацій мутагенними факторами ......................................... 137

Наслідки мутаційної мінливості .............................................................. 140

Модифікаційна мінливість ...................................................................... 142

Розділ 5. Генетика бактерій, вірусів і одноклітинних еукаріотів ........ 145

Організація генетичного апарату прокаріотів ........................................ 145

Обмін генетичним матеріалом між бактеріями...................................... 147

Бактеріофаги........................................................................................... 150

Сайт-специфічна рекомбінація ............................................................... 152

Життєвий цикл бактеріофага λ ............................................................... 154

Віруси еукаріотів ..................................................................................... 157

Одноклітинні еукаріоти ........................................................................... 159

Дріжджі ............................................................................................... 160

Інфузорія.............................................................................................. 165

Розділ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів................................... 167

Еукаріотичні геноми................................................................................ 168

Загальні риси будови еукаріотичних геномів ...................................... 168

Генетичні ефекти активності мобільних елементів ............................. 172

Еволюційна зміна геномів ................................................................... 175

Запрограмовані геномні перебудови: V(D)J-рекомбінація імуноглобулі-

нових генів........................................................................................... 177

Епігенетичне спадкування ...................................................................... 180

НР1-залежна система репресії............................................................. 180

Метилювання ДНК............................................................................... 182

Гетерохроматин і РНК-інтерференція.................................................. 183

Ефект положення гена......................................................................... 184

Цитоплазматична спадковість: генетика мітохондрій і хлоропластів ..... 185

Геноми мітохондрій ............................................................................. 186

Геном хлоропластів .............................................................................. 188

Основні характеристики спадкування генів органел.......................... 190

Генетика статі.......................................................................................... 191

Механізми визначення статі................................................................ 192

Спадкування ознак і стать .................................................................. 198

Компенсація дози генів і походження статевих хромосом .................. 199

Генетика індивідуального розвитку......................................................... 201

Генетичний контроль розвитку Drosophila .......................................... 202

Розвиток Caenorhabditis elegans.......................................................... 207

Розділ 7. Генетика людини ...................................................................... 213

Людина як генетичний об'єкт.................................................................. 214

Геном людини .......................................................................................... 216

Визначення типів спадкування в людини. Складання родоводів.......... 220

Кількісні й багатофакторні ознаки людини............................................. 226

Близнюковий метод і метод приймаків............................................... 227

Спадкові хвороби .................................................................................... 229

Генетика онкологічних захворювань....................................................... 239

Генетичні аспекти еволюції людини........................................................ 242

Розділ 8. Генетика популяцій .................................................................. 247

Властивості популяції .............................................................................. 248

Чисельність .......................................................................................... 248

Мінливість............................................................................................ 251

Структурованість................................................................................. 252

Системи схрещувань............................................................................ 252

Генетична структура популяції. Закон Харді – Вайнберга...................... 253

Фактори динаміки генетичної структури популяцій .............................. 257

Дрейф генів ......................................................................................... 257

Інбридинг............................................................................................. 260

Мутації ................................................................................................. 262

Міграції ................................................................................................ 263

Добір .................................................................................................... 264

Еволюційні процеси................................................................................. 268

Розділ 9. Генетична інженерія і методи молекулярної генетики ......... 271

Методи генної інженерії .......................................................................... 271

Основні ферменти генної інженерії..................................................... 271

Клонування ДНК .................................................................................. 274

Геномні бібліотеки................................................................................ 277

Полімеразна ланцюгова реакція .......................................................... 280

Аналіз структури й експресії генів і геномів........................................... 281

Експресія рекомбінантних білків ............................................................ 285

Генетична інженерія мікробіологічних систем ........................................ 287

Генетична інженерія рослин.................................................................... 289

Генетична інженерія тварин ................................................................... 293

Генна терапія........................................................................................... 296

Ключові етапи розвитку генетики ......................................................... 301

Рекомендована література....................................................................... 305

Основна ................................................................................................... 305

Додаткова................................................................................................ 306

Предметний покажчик............................................................................. 309

ВСТУП

Основним об'єктом генетики є гени (від γένος – рід, походження) –

їхня структурно-функціональна організація, закономірності їхнього

збереження, зміни та передачі нащадкам, а також принципи реаліза-

ції записаної в генах спадкової програми та взаємодій між генами

в єдиній складній системі апарату спадковості. У загальному визна-

ченні ген – це окремий елемент спадкової програми. Навести деталь-

ніше визначення, тим більше на початку підручника, яке б у кількох

реченнях описувало головні властивості гена, практично неможливо.

Сучасним уявленням про гени присвячена вся книга.

Матеріальною основою гена є молекула дезоксирибонуклеїнової

кислоти – ДНК. Принципи структурної організації ДНК, процес її по-

двоєння у двох ідентичних копіях, а також механізми збереження

спадкової інформації, які протидіють зовнішнім пошкоджуючим

впливам і помилкам подвоєння, розглядаються в розділі 1. У цьому ж

розділі описано загальні принципи організації спадкових програм,

закодованих у молекулах ДНК, закономірності структурної організації

ДНК у клітинах, процеси перетасування спадкової інформації при

переміщеннях ділянок ДНК і шляхи передачі спадкового матеріалу

дочірнім клітинам при клітинному поділі.

У розділі 2 описано механізми реалізації спадкової програми під

час життя клітини: принципи декодування інформації, яка міститься

в ДНК, і регуляції цього процесу. Власне, матеріал перших двох розді-

лів і має дати початкову відповідь на запитання про те, що таке ген.

Розглянуті в перших розділах молекулярні основи спадковості дозво-

ляють сформулювати базові закономірності спадкування зовнішніх

ознак. Цьому присвячено розділ 3. У ньому більшість матеріалу базу-

ється на досягненнях генетики того періоду, коли генетичну роль ДНК

ще не було встановлено, – генетика була в багатьох аспектах формаль-

ною наукою. Ці формальні генетичні закономірності повністю базуються

на зрозумілих тепер молекулярних механізмах спадковості, а розроб-

лені у той час методи генетичного аналізу й досі є актуальними.

Суттєвим аспектом існування спадкового матеріалу в живих сис-

темах є його мінливість унаслідок пошкоджуючих впливів і помилок

у функціонуванні спадкового апарату. Механізми цієї мінливості, яка

не тільки призводить до небажаних наслідків, але й постачає матеріал

для еволюційного процесу, розглядаються в розділі 4.

Наступні 5 і 6 розділи стосуються особливостей організації та функ-

ціонування спадкового апарату в різних груп організмів – прокаріо-

тів, вірусів, одно- та багатоклітинних еукаріотів.

Розділ 7 присвячено генетиці людини, яка посідає особливе місце

серед інших розділів генетики окремих видів.

У розділі 8 викладено закономірності переміщення генетичного

матеріалу в межах популяцій – великих груп організмів одного виду,

що схрещуються між собою. Генетика популяцій є однією з головних

основ для розуміння механізмів еволюції, оскільки саме популяція яв-

ляє собою найдрібнішу еволюційну одиницю.

Найновітнішому прикладному аспекту генетики – огляду підходів,

які можна об'єднати під назвою генетична інженерія, – присвячено

останній 9 розділ. Генетична інженерія, спрямована на зміну гене-

тичних програм організмів, водночас є основною групою методів до-

слідження в молекулярній генетиці.

Наприкінці підручника вміщено історичну довідку, в якій відо-

бражено головні етапи розвитку генетики. Крім того, наведено пере-

лік літератури, рекомендованої для глибшого вивчення сучасних

проблем цієї науки.

РОЗДІЛ 1

Природа

генетичного матеріалу

Як фізичний об'єкт ген – це ділянка полімерної молекули дезокси-

рибонуклеїнової кислоти (ДНК).

Єдиним винятком із цього загального

для всіх живих організмів правила є особливий клас вірусів, де роль

носія інформації виконує інша нуклеїнова кислота (хімічний аналог

ДНК) – рибонуклеїнова кислота (РНК). Численні типи РНК беруть також

участь у процесах реалізації генетичної інформації в усіх організмах.

Фізико-хімічні властивості молекули ДНК роблять її надійним носієм

спадкової інформації та забезпечують простий механізм

реплікації –

точного відновлення молекули (а отже, і спадкової програми)

у дочірніх клітинах при клітинному поділі. Численні взаємодії, в які

вступає ДНК з іншими молекулами (насамперед білками), зумовлюють

певну схему упаковки ДНК у клітинах, експресію генетичної інфор-

мації та регуляцію цього процесу, а також здійснення інших опера-

цій, суттєвих для функціонування спадкового апарату.

СТРУКТУРА ДНК

Хімічна будова нуклеїнових кислот

Мономерна одиниця нуклеїнової кислоти – нуклеотид – склада-

ється з трьох елементів: азотиста основа, пентозний цукор (рибоза або

дезоксирибоза), залишок фосфорної кислоти (рис. 1.1).

Генетика

OP O

OH(H)

С1'

С2'

С3'

С4'

С5'

–

Фосфатний

залишок

Азотиста

основа

Рибоза

(дезоксирибоза)

Рис. 1.1. Хімічна будова нуклеотиду.

Наведено стандартну нумерацію атомів пентозного кільця

Пурини

(

)

Піримідини

(

)

Рис. 1.2. Азотисті основи. Червоним позначено атом N,

з'єднаний у нуклеотиді з С1' атомом пентози. Наведено

стандартну нумерацію атомів кілець пуринів і піримидинів

Азотисті основи – гетероциклічні сполуки (рис. 1.2), у кільцях яких

містяться карбон і азот, а всі зв'язки мають характер частково подвій-

них. До певних атомів кільця приєднані екзоциклічні групи – аміногру-

па чи атом оксигену. До складу нуклеїнових кислот входять два типи

азотистих основ: пурини (загальноприйняте позначення R) – аденін (A)