Тесты по генетике. Наследственность. ДНК
Подождите немного. Документ загружается.
1. Предмет генетики. Основные методы генетики. Краткая история
развития генетики
Генетика (от греч. Genesis - происхождение) - наука о
наследственности и изменчивости организмов. Термин «генетика»
предложил в 1906г. У. Бэтсон.
Методы генетики человека
Генеалогический - метод составления родословных по различным
источникам - рассказам, фотографиям, картинам. Выясняют признаки
предков и устанавливают типы наследования этих признаков.
Типы наследования:
а)3аутосомно-доминантное;
б)3аутосомно-рецессивное;
в)3сцепленное с полом.
Человека, в отношении которого составляется родословная, называют
пробандом.
Близнецовый - метод изучения генетических закономерностей на
близнецах. Близнецы бывают однояйцевые (монозиготные, идентичные) и
разнояйцевые (дизиготные, неидентичные).
Цитогенетический - метод микроскопического изучения хромосом
человека. Позволяет выявить генные и хромосомные мутации.
Биохимический - метод, который на основе биохимического анализа
позволяет выявить гетерозиготного носителя заболевания, например,
носителя гена фенилкетонурии можно выявить по повышенной
концентрации фенилаланина в крови.
Популяционно-генетический - этот метод позволяет составить
генетическую характеристику популяции, оценить степень концентрации
различных аллелей и меру их гетеро-зиготности.
Медицинская генетика - раздел антропогенетикй, изучающий
наследственные заболевания человека, их происхождение, диагностику,
1
лечение и профилактику. Цель - прогноз вероятности рождения детей с
патологиями либо исключение возникновения патологий..
Методы селекции:
•3искусственный отбор - сохранение необходимых человеку организмов
и устранение, выбраковка других, не отвечающих целям селекционера.
•3гибридизация - процесс получения новых генетических комбинаций у
потомства для усиления или нового сочетания ценных родительских
признаков;
•3инбридинг - близкородственная гибридизация, применяется для
выведения чистых линий. Недостаток - угнетение жизнеспособности;
•3аутбридинг - отдаленная гибридизация, сдвигает норму реакции в
сторону усиления признака, появление гибридной мощности (гетерозиса).
Попытки понять природу передачи признаков по наследству от
родителей детям предпринимались еще в древности. Размышления на эту
тему встречаются в сочинениях Гиппократа, Аристотеля и других
мыслителей. В XVII–XVIII вв., когда биологи начали разбираться в процессе
оплодотворения и искать, с каким началом – мужским или женским – связана
тайна оплодотворения, споры о природе наследственности возобновились с
новой силой.
Тем самым к концу XVII в. была подготовлена научная почва для
начала опытов по гибридизации растений. Первые успехи в этом
направлении были достигнуты в начале XVIII в. Полагают, что первый
межвидовой гибрид получил англичанин Т. Фэйрчайлд при скрещивании
гвоздик Dianthus barbatus и D. caryophyllus. С получением других гибридов
практика гибридизации стала расширяться, но ботаники еще продолжали
считать спорным вопрос о наличии двух полов у растений и их участии в
оплодотворении. В 1759 г. Петербургская Академия наук для выяснения
этого вопроса объявила даже специальный конкурс.
В 1760 г. Кельрейтер начал первые тщательно продуманные опыты по
изучению передачи признаков при скрещивании растений. В конце XVIII –
2
начале XIX в. английский селекционер-растениевод Т. Э. Найт, проводя
скрещивания различных сортов, столкнулся с проблемой сочетания
признаков родителей у потомков.
Дальнейшие существенные успехи в развитии метода скрещиваний
связаны с французской школой селекционеров, особенно с ее наиболее
яркими представителями – О. Сажрэ и Ш. Нодэном. Они сделали шаг вперед
в отношении подбора объектов исследований, целиком перейдя к опытам с
относительно быстро развивающимися растениями (овощными культурами),
вегетационный цикл которых ограничивается несколькими месяцами.
Развитие практики гибридизации повело к дальнейшему накоплению
сведений о природе скрещиваний. Важные наблюдения о сочетаниях при-
знаков при скрещиваниях стали накапливаться в результате деятельности
садоводов и ботаников.
Наиболее фундаментальной гипотезой такого рода, послужившей в
известной мере образцом для аналогичных построений других биологов, яви-
лась «временная гипотеза пангенезиса» Ч. Дарвина, изложенная в последней
главе его труда «Изменение домашних животных и культурных растений»
(1868). Здесь Дарвин обобщил всю литературу о скрещиваниях и о явлениях
наследственности.
Честь открытия количественных закономерностей, сопровождающих
формирование гибридов, принадлежит австрийскому естествоиспытателю
Иоганну Грегору Менделю (1822–1884). В его работах, выполнявшихся в
период с 1856 по 1863 г., были раскрыты основы законов наследственности.
После переоткрытия менделевских закономерностей развернулось из-
учение этих закономерностей у всевозможных видов животных и растений.
Одна из кажущихся неудач постигла У. Бэтсона и Р. Пеннета, изучавших в
1906 г. наследование окраски венчика и формы пыльцы у душистого
горошка. В 1909 г. к детальному изучению этого вопроса приступил Т. Г.
Морган.
3
Таким образом, в развитии генетики выделяются два важных этапа.
Первый, базирующийся на гибридологических исследованиях, связан с
открытием Менделя – доказательством наличия элементарных наследст-
венных факторов, установлением характера взаимодействия этих факторов
(правило доминантности – рецессивности) и выяснением количественных
закономерностей в расщеплении признаков при скрещиваниях. Второй этап,
связанный с успехами цитологических исследований, завершился
доказательством того, что носителями наследственных факторов являются
хромосомы. Морган сформулировал и экспериментально доказал положение
о сцеплении генов в хромосомах. В частности, генетическими методами
были обнаружены четыре группы сцепления у Drosophila melanogaster, что
совпадало с данными цитологических исследований. На очереди стоял
вопрос о порядке расположения генов в хромосомах.
В 1913 г. Стертевант составил первую карту половой Х-хромосомы
дрозофилы, построенную на основании численных данных по сцеплению и
кроссинговеру, наблюдаемых у шести сцепленных с полом генов. Наконец,
были получены прямые цитологические доказательства существования
кроссинговера у дрозофилы. Еще в 1909 г. бельгийский исследователь Ф.
Янсенс натолкнулся на любопытный факт. В профазе первого мейотического
деления парные хромосомы подходили друг к другу, выстраивались
параллельно, а затем, коснувшись концами, быстро смыкались.
К началу 30-х годов XX в. сложились основы теории гена. Уже первые
достижения гибридологического анализа поставили проблему дискретности
наследственного материала. В опытах Менделя это представление получило
надежное экспериментальное подтверждение. Считалось, что ген отвечает за
развитие одного признака и передается при скрещиваниях как неделимое
целое. Открытие мутаций и кроссинговера первоначально также
подтверждали неделимость генов.
Молекулярная биология как самостоятельная наука, изучающая
молекулярные основы жизнедеятельности клетки, возникла на рубеже 1940–
4
1950 гг., когда была установлена генетическая роль дезоксирибонуклеиновых
кислот (ДНК), а расшифровка структуры ДНК позволила описать в простых
физико-химических терминах принцип передачи наследуемых признаков от
родительской клетки к дочерним.
К этому времени история изучения нуклеиновых кислот насчитывала
уже около восьмидесяти лет. Честь их открытия принадлежит выдающемуся
швейцарскому биохимику Фридриху Мишеру, который в 1868–1872 гг.
выделил из ядер клеток гноя и спермы лосося новое фосфорсодержащее
вещество, названное им нуклеином (от греч. nucleus – ядро). Впервые
нуклеиновую кислоту, свободную от белков, получил Р. Альтман в 1889 г.,
который и ввел этот термин в биохимию. Разработка методов выделения и
изучение химического состава нуклеиновых кислот были продолжены в
лабораториях А. Косселя, У. Джонса, П. Левина, О. Гаммерстена, Дж.
Гулланда и др.
Выдающейся вехой в изучении нуклеиновых кислот стало открытие О.
Эйвери и сотр. (1944). Они показали, что с помощью чистой ДНК
наследуемый признак может быть перенесен из одной клетки в другую и что
ДНК является носителем генетической информации. Это положение
получило вскоре убедительное подтверждение в экспериментах А. Херши и
М. Чейз с ДНК бактериофагов.
Открытие генетической роли ДНК потребовало решения другой
фундаментальной задачи – проблемы кода, с помощью которого
нуклеотидный текст переводится на язык аминокислот – структурных единиц
белка. Впервые эту задачу правильно сформулировал в начале 1950-х годов
Г. Гамов, который предсказал, что этот код должен быть трехбуквенным и
неперекрывающимся. Несколько позже в лабораториях Дж. Уотсона, А. С.
Спирина и М. Номуры были установлены принципы структурной
организации рибосом.
Генетический аминокислотный код был полностью расшифрован в
1961–1966 гг. усилиями лабораторий М. Ниренберга, С. Очоа и Г. Кораны.
5
В середине 1960-х годов начались исследования нуклеотидных
последовательностей РНК. Первыми были определены первичные структуры
тРНК (Р. Холли и сотр., 1965; А. А. Баев и сотр., 1967). Развитие техники
фракционирования фрагментов нуклеиновых кислот и прежде всего гель-
электрофореза (Ф. Сэнгер и сотр.) позволило в начале 1970-х годов
приступить к изучению первичной структуры высокомолекулярных РНК. В
1976–1978 гг. были созданы исключительно быстрые и эффективные методы
секвенирования ДНК и РНК (А. Максам и У. Гилберт, Ф. Сэнгер и сотр.),
которые позволили за короткое время получить огромную информацию о
первичной структуре генов, их регуляторных элементах, вирусных и
рибосомных РНК и т. д.
В 1970 г. Г. Темин и Д. Балтимор открыли в онкогенных вирусах РНК-
зависимую ДНК-полимеразу и тем самым показали, что в принципе поток
генетической информации может быть обращен от РНК к ДНК.
Крупнейшим достижением экспериментальной генетики было
обнаружение возможности искусственно вызывать мутации при помощи
разнообразных физических и химических агентов. Г. А. Надсон и Г. С.
Филиппов (1925) получили мутации у дрожжей под действием радия и
рентгеновых лучей; Г. Мёллер (1927) – при помощи рентгеновых лучей у
дрозофилы, а Л. Стадлер (1928) – посредством воздействия этими же лучами
у кукурузы.
В изучении проблемы изменчивости начался новый, исключительно
плодотворный период. В короткий срок мутагенный эффект облучения был
исследован на многих объектах. Было установлено, что под действием
облучения могут возникать мутации любых типов.
В настоящее время известно большое количество веществ, усиливаю-
щих мутационный процесс. Разработана теория действия мутагенных со-
единений на наследственные структуры, интенсивно разрабатываются про-
блемы специфичности действия мутагенов.
6
20. Модель молекулы ДНК по Уотсону и Крику. Правило
Чаргаффа. Репликация ДНК, ферменты, участвующие в репликации
Пра́вила Ча́ргаффа3- система эмпирически выявленных правил,
описывающих количественные соотношения между различными типами
азотистых оснований в ДНК. Были сформулированы в результате работы
группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949-19513гг.
До работ группы Чаргаффа господствовала так называемая
«тетрануклеотидная» теория, согласно которой ДНК состоит из
повторяющихся блоков по четыре разных азотистых основания (аденин,
тимин, гуанин и цитозин). Чаргаффу и сотрудникам удалось разделить
нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и определить
точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов. Они
значительно отличались от эквимолярных, которых можно было бы ожидать,
если бы все четыре основания были представлены в равных пропорциях.
Соотношения, выявленные Чаргаффом для аденина (А), тимина (Т), гуанина
(Г) и цитозина (Ц), оказались следующими:
Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина3- цитозину:
А=Т, Г=Ц.
Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.
Количество оснований с 6 аминогруппами равно количеству оснований
с 6 кетогруппами: А+Ц=Г+Т.
Вместе с тем, соотношение (A+Т):(Г+Ц) может быть различным у ДНК
разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других3 ГЦ.
Правила Чаргаффа, наряду с данными рентгеноструктурного анализа,
сыграли решающую роль в расшифровке структуры ДНК Дж. Уотсоном и
Фрэнсисом Криком.
33 Исходя из аналитических данных Чаргаффа и рентгенограмм,
полученных Уилкинсом, Уотсон и Крик в 1953 году предложили модель
7
строения молекулы ДНК, позволявшую дать химическое объяснение многим
биологическим свойствам этого вещества.
Используя эти сведения, Уотсон и Крик начали строить физические
модели отдельных составных частей молекулы ДНК в определенном
масштабе и «подгонять» их друг к другу с таким расчетом, чтобы полученная
система соответствовала различным экспериментальным данным.
Уотсон и Крик не сомневались в том, что период 0,34 нм соответствует
расстоянию между последовательными нуклеотидами в цепи ДНК. Далее,
можно было предполагать, что период 2 нм соответствует толщине цепи.
Тогда период 3,4 нм будет соответствовать расстоянию между
последовательными витками этой спирали. Такая спираль может быть очень
плотной или же несколько растянутой, т. е. витки ее могут быть пологими
или крутыми. Поскольку период 3,4 нм ровно в 10 раз больше расстояния
между последовательными нуклеотидами (0,34 нм), ясно, что каждый
полный виток спирали содержит 10 нуклеотидов. По этим данным Уотсон и
Крик смогли вычислить плотность полинуклеотидной цепи, закрученной в
спираль диаметром 2 нм, с расстоянием между витками, равным 3,4 нм.
Оказалось, что у такой цепи плотность была бы вдвое меньше фактической
плотности ДНК, которая была уже известна. Пришлось предположить, что
молекула ДНК состоит из двух цепей - что это двойная спираль из
нуклеотидов.
33 Следующей задачей было, конечно, выяснение пространственных
отношений между обеими цепями, образующими двойную спираль.
Испробовав на своей физической модели ряд вариантов расположения цепей,
Уотсон и Крик нашли, что всем имеющимся данным лучше всего
соответствует такой вариант, в котором две полинуклеотидные спирали идут
в противоположных направлениях; при этом цепи, состоящие из остатков
сахара и фосфата, образуют поверхность двойной спирали, а пурины и
пиримидины располагаются внутри. Расположенные друг против друга
основания, принадлежащие двум цепям, попарно соединены водородными
8
связями; именно эти водородные связи и удерживают цепи вместе, фиксируя
таким образом общую конфигурацию молекулы.
Модель Уотсона - Крика объясняет, каким образом молекула ДНК
может выполнять обе эти функции. При репликации (самоудвоении)
молекулы ДНК две ее цепи отделяются друг от друга и около каждой из них
образуется новая цепь, комплементарная старой. Так возникают две новые
цепи.
Вторая важнейшая функция ДНК состоит в том, что ее молекула,
помимо собственной репликации, должна еще в определенное время между
клеточными делениями обеспечить транскрипцию той информации, которая
заключена в специфической последовательности ее нуклеотидов. Затем
продукт этого процесса транскрипции - информационная РНК - соединяется
с рибосомами для осуществления синтеза определенного фермента или иного
специфического белка. Теперь мы можем наглядно представить себе, каким
образом каждый ген вызывает синтез определенного фермента. К этому
вопросу мы вернемся в одном из последующих разделов.
В процессе репликации двойная спираль ДНК, состоящая из двух
комплементарных полинуклеотидных цепей, раскручивается на отдельные
цепи и одновременно начинается синтез новых полинуклеотидных цепей;
при этом исходные цепи ДНК играют роль матриц. Новая цепь,
синтезирующаяся на каждой из исходных цепей, идентична др. исходной
цепи. Когда процесс завершается, образуются две идентичные двойные
спирали, каждая из к-рых состоит из одной старой (исходной) и одной новой
цепи (рис. 1). Таким образом от одного поколения к другому передается
только одна из двух цепей, составляющих исходную молекулу ДНК, - так
называемый полуконсервативный механизм репликации.
Репликация состоит из большого числа последовательных этапов,
которые включают узнавание точки началу репликации, расплетание
исходного дуплекса (спирали), удержание его цепей в изолированном друг от
друга состоянии, инициацию синтеза на них новых дочерних цепей, их рост
9
(элонгацию), закручивание цепей в спираль и терминацию (окончание)
синтеза. Все эти этапы репликации, протекающие с высокой скоростью и
исключительной точностью, обеспечивает комплекс, состоящий более чем из
20 ферментов и белков, - так называемая ДНК-репликазная система, или
реплисома. Функциональная единица репликации - репликон,
представляющий собой сегмент (участок) хромосомы или внехромосомной
ДНК, ограниченный точкой начала, в которой инициируется репликация, и
точкой окончания, в которой репликация останавливается. Скорость
репликации контролируется на стадии инициации. Однажды начавшись,
репликация продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет
дуплицирован (удвоен). Частота инициации определяется взаимодействие
специальных регуляторных белков с точкой начала репликации.
Бактериальные хромосомы содержат один репликон: инициации в
единственной точке начала репликации ведет к репликации всего генома. В
каждом клеточном цикле репликация инициируется только один раз.
Плазмиды и вирусы, являющиеся автономными генетическими элементами,
представляют собой отдельные репликоны, способные к многократной
инициации в клетке - хозяине. Эукариотичные хромосомы (хромосомы всех
организмов, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) содержат
большое число репликонов, каждый из которых также однократно
инициируется за один клеточный цикл.
ДНК-полимераза - фермент, участвующий в репликации ДНК.
Ферменты этого класса катализируют полимеризацию
дезоксирибонуклеотидов вдоль цепочки нуклеотидов ДНК, которую фермент
«читает» и использует в качестве шаблона. Тип нового нуклеотида
определяется по принципу комплементарности с шаблоном, с которого
ведётся считывание. Собираемая молекула комплементарна шаблонной
моноспирали и идентична второму компоненту двойной спирали.
Выделяют ДНК-зависимую ДНК-полимеразу, использующую в
качестве матрицы одну из цепей ДНК, и РНК-зависимую ДНК-полимеразу,
10