Генетический анализ при взаимодействии генов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАФЕДРА БИОЛОГИИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Предмет: «Генетика»

Тема: «Генетический анализ при взаимодействии генов»

Выполнила ст-ка гр.ЗБХ-41

КОТ Т.Р.

номер з/к 0009322

Проверил доцент

Галко Т.А.

г.Павлодар, 2003г.

План

I. Проявление Действия генов.

II. Типы взаимодействия генов

1) Взаимодействие аллейных генов

2) Взаимодействие неаллейных генов

а) комплементарность

б) эпистаз

в) полимерия

III. Влияние факторов внешней среды на действие генов.

Под действием генов (экспрессией, выражением генов) понимают способность их контролировать свойства или, точнее, синтез белков. Для действия генов характерен ряд особенностей, важнейшей из которых является их экспрессивность, под которой понимают степень фенотипической выраженности генов, т. е. «силу» действия генов, проявляющуюся в степени развития контролируемых ими признаков. Термин предложен Н. В. Тимофеевым-Ресовским (1900—1981). Экспрессивность генов не является постоянным свойством наследственности, ибо она очень вариабельна у растений, животных и у человека. Например, у разных людей проявляется по-разному такой признак, как способность ощущать вкус фенилтиокарбамида. Для одних людей это вещество является слишком горьким, для других его горечь кажется меньшей, что является результатом разной степени экспрессивности гена, контролирующего способность ощущать вкус этого соединения. Примером вариабельности экспрессивности генов является также экспрессивность доминантного гена, контролирующего ювенильную катаракту глаз человека. Экспрессия этого гена у разных индивидуумов варьирует от слабого помутнения хрусталика глаз до его полной непрозрачности.

С другой стороны, для действия генов у млекопитающих характерен так называемый геномный импринтинг, заключающийся в том, что два аллеля гена экспрессируются дифференциально, т. е. экспрессируется только один аллель из двух аллелей (отцовского и материнского), унаследованных от родителей. Например, у человека ген инсулинподобного фактора 2 нормально экспрессируется только из аллеля, унаследованного от отца, тогда как соседний с ним ген, кодирующий нетранслируемую РНК, экспрессируется только из аллеля, унаследованного от матери.

Важнейшей особенностью действия генов является также их пенетрантность, впервые описанная тоже Н. В. Тимофеевым-Ресовским. Под ней понимают частоту проявления того или иного гена, измеряемую частотой встречаемости признака в популяции, т. е. частотой встречаемости в популяции организмов, обладающих этим признаком. Перетрантность является статистической концепцией регулярности, с которой выражается (экспрессируется) тот или иной ген в популяции. Если какой-либо ген в популяции фенотипически выражается у индивидуумов, количество которых составляет 75% обследованных, то считают, что его пенетрантность тоже составляет 75%. Например, доминантный ген, контролирующий изменение цвета склеры глаз человека встречается у 90% людей. Следовательно, пенетрантность этого гена составляет 90%.

Экспрессивность и пенетрантность подвержены колебаниям. Причины этих колебаний не совсем ясны. Тем не менее обычно вариабельность в экспрессивности и пенетрантности генов объясняют либо модифицирующим влиянием других генов, которые получили название генов-модификаторов, либо совместным действием обоих этих факторов, а возможно и других факторов. Учет природы экспрессивности и пенетрантйости генов имеет большое практическое значение в генетике человека, животных и растений. В случае человека эти явления учитывают при диагностике наследственных болезней, тогда как в животноводстве и растениеводстве они используются в селекции животных и растений.

Организмы наследуют от своих родителей не признаки и не свойства, как это долго считали ранее. Они наследуют гены, которые действуют на протяжении всей жизни организмов. В соответствии с существующими представлениями действие генов осуществляется через мРНК и приводит к образованию белков. Следовательно, мРНК являются первичными продуктами, тогда как белки являются конечными продуктами действия генов, т. е. результатом действия генов. Другими словами, гены контролируют структуру белков и ничего больше.

Поскольку материалом генов является ДНК, то в самом начале после открытия генетической роли ДНК возник вопрос и сводился к следующему: каким образом ДНК осуществляет свои функции в контроле синтеза белков? Ответ на этот вопрос заключается в том, что в ДНК содержится (закодирована) генетическая информация о синтезе белков, т. е. в ДНК содержится генетический код, под которым понимают систему записи в молекулах ДНК генетической информации о синтезе белков. Реализация генетического кода происходит в два этапа, один из которых называют транскрипцией, второй — трансляцией. Поток информации реализуется по схеме ДНК — РНК -г белок. С тех пор как были открыты генетический код и механизмы его реализации (действия), эта схема получила название центральной догмы биологии.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ.

Простейшая форма взаимодействия генов (доминантность - рецессивность) была открыта Менделем. Это пример аллельных отношений. Доминирование не всегда бывает полным, как в менделевских опытах на горохе. Вскоре после вторичного открытия законов Менделя были обнаружены факты, указывающие на сложность межгенных отношений в системе генотипа. Это касается как меж аллельных взаимодействий, так и взаимного влияния неаллельных генов.

Множественные аллели. Многие, может быть даже все, гены у разных организмов существуют более чем в двух аллельных формах, хотя один диплоидный организм не может быть носителем более двух аллелей. Впервые множественные аллели были открыты в локусе white, определяющем окраску глаз у дрозофилы, Морганом и его сотрудниками. Особенность аллельных отношений заключается в том, что аллели можно расположить в ряд с убывающей степенью доминирования. Другими словами, ген красноглазости - дикого (т. е. наиболее распространенного в природе) типа (w+) -будет доминировать над всеми остальными аллелями (их около 15), тогда как последующий член серии аллелей будет доминировать над всеми остальными членами, кроме w+: w+>wch:>we]> >wa>w. Символами ch, e и а обозначены различные оттенки цвета глаз: вишневый (от англ, cherry), эозино-вый (от англ, eosin), абрикосовый (от англ, apricot). Мухи с аллелью w (от англ, white - белый) - белоглазые.

Хорошо изучены серии аллелей генов окраски у кролика, формы цветка львиного зева, остистости колоса у пшеницы. Существование множественных аллелей само по себе указывает на относительный характер доминирования, на то, что оно проявляется только в конкретных условиях генотипической среды.

Кодоминирование. Этим термином обозначают такие варианты аллельных отношений, когда признаки обоих родителей проявляются одновременно в FI. Так, у человека аллели 1Л и 1В, определяющие антигены групп крови, кодоминантны. У гетерозигот 1А1В присутствуют оба генных продукта. Аллели 1А и 1В доминируют над рецессивной аллелью i. Поэтому у человека система АВО определяет четыре группы крови: группа А - 1А1А, или IAi; группа В - 1В1В, или IBi, группа АВ - 1А1вл 0 группа - ii. В сущности, кодоминантные гены также представляют собой множественные аллели.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕАЛЛЕЛЬНЫХ ГЕНОВ

После вторичного открытия законов Менделя было описано несколько случаев взаимодействия неаллельных генов, приводящего к формированию новых признаков. Взаимодействовать могут два неаллельных гена и более, однако лучше всего изучены взаимодействия первого типа. Бэтсон и Пеннет обнаружили образование новых признаков при анализе формы гребня у кур. Авторы скрещивали петуха с розовидным гребнем с курицей, имеющей гороховидный гребень (рис. 3.1). Казалось бы, поскольку скрещиваемые особи различаются по одному признаку, в FI следует ожидать доминирования одной из форм, а в р2 - расщепления 3:1. Действительные результаты скрещивания оказались резко отличными от ожидаемых. В FI все птицы имели гребни не такие, как у родителей,- эти гребни называются ореховидными. В р2, полученном от скрещивания петухов и кур с ореховидными гребнями, были обнаружены четыре фенотипических класса: два родительских (розовидный и гороховидный) -по 3 части от всего потомства, ореховидный - 9 частей и новый тип гребня (простой или листовидный) - у Vie потомства. Расщепление по фенотипу 9:3:3:1 ясно указывает, что имеет место дигибридное скрещивание. Для объяснения необычного характера наследования формы гребня была предложена гипотеза, согласно которой неаллельные гены R и Р, определяющие розовидный и гороховидный гребни, взаимодействуют друг с другом, причем результаты взаимодействия зависят от того, в какой форме находится каждый из генов - в доминантной или рецессивной. Из схемы рис. 3.1 видно, что ореховидный гребень образуется тогда, когда оба гена имеют у данного организма.

Среди типов взаимодействия неаллельных генов, различают комплементарность, эпистаз, полимерию и действие генов-модификаторов.

Комплементарное действие генов наиболее четко проявляется, когда скрещиваются две белые формы некоторых животных (кур) или растений (душистого горошка, белого клевера, кукурузы), а в потомстве появляются окрашенные формы. При скрещивании двух рас душистого горошка с белыми цветками (Lathyrus odoratus) в FI формируются растения с пурпурной окраской. При самоопылении этих растений в р2 наблюдается отклонение от менделевского расщепления: 9/ie растений имеют цветки с пурпурной окраской, тогда как 7/ie- с белой. В этом случае сущность взаимодействия генов, так же как при образовании ореховидного гребня у кур, состоит в том, что окрашенные цветки появляются при взаимодействии двух неаллельных доминантных генов А и В.

Генотипы растений с неокрашенными цветками могут быть AAbb или ааВВ; если такие растения скрещиваются, то генотип растений FI будет АаВЬ. Это значит, что все растения этого поколения будут иметь пурпурные цветки. У кукурузы установлено, что для возникновения окрашенных семян необходим антоциан, который образуется только в присутствии двух доминантных генов А и В.

Эпистатическое действие генов. Эпистаз - подавление действия одного гена другим, не аллельным, геном. Ген-подавитель, или супрессор, действует на подавляемый гипостатический ген по принципу, близкому к доминантности - рецессивности. Разница тут состоит в том, что эпистатический и гипостатический гены не являются ал-лельными, т. е. занимают различные локусы в гомологичных или негомологичных хромосомах. Эпистаз широко распространен в природе, в некоторых случаях изучены биохимические механизмы эпистатических взаимодействий. Так, у домашних птиц, в частности у кур, имеется зпистатическая система из двух генов, влияющих на окраску оперения. Эпистатический ген сам по себе не влияет на окраску пера. В то же время ген С в доминантной форме определяет нормальную продукцию пигмента. Однако белые леггорны с генотипом ССП не имеют пигмента в результате действия эпистатического гена. Есть и другие белые породы кур, окраска которых определяется другим генотипом. Так, оперение белых виандотов обусловлено тем, что они гомозиготны по рецессивным генам ее и ii, тур.-и по гипостатическому, и по эпистатическому генам. Расщепление при эпистазе, которое является результатом дигибридного скрещивания, отличается и от классического менделевского, и от того, которое наблюдается при комп-лементарности

Анализ данных на решетке Пеннета показывает, что только у 3/i6 потомства будет присутствовать ген С в доминантной форме и одновременно эпистатический ген в рецессивной форме i. Соотношение белых и пестрых птиц составит 13:3. Этот тип взаимодействия неаллельных генов называют доминантным эпистазом. В отличие от него при рецессивном эпистазе рецессивная аллель одного гена, будучи в гомозиготном состоянии, подавляет проявление доминантной или рецессивной аллели другого гена, В этом случае вместо ожидаемого при дигибридном скрещивании расщепления 9:3:3:1 получается отношение 9:7.

Полимерия. До сих пор рассматривалось действие генов, определяющих контрастирующие, альтернативные признаки. С такого рода генами имел дело Мендель, экспериментируя на горохе. Однако уже с первого десятилетия XX в. известны гены, одинаково влияющие на признаки. Их действие может быть тождественным, но чаще бывает аддитивным, т. е. суммирующимся. В первом случае для развития признака достаточно присутствия одной из аллелей у дигетерозиготы в доминантной форме, тогда как аддитивное действие выражается в степени проявления признаков в зависимости от числа доминантных аллелей. Так, при аддитивном действии фенотип будет более выражен при генотипе ААВВ, чем при АаВЬ.

Признаки, зависящие от аддитивных полимерных генов, обычно относятся к количественным, или мерным, признакам. Если, скажем, по группам крови А, В, АВ или О вид Homo sapiens распределяется на четыре четких класса, то по такому показателю, как рост, обнаруживается вариабельность: рост большинства людей находится в пределах 145-184 см. Количественных признаков известно много, и они не представляют собой какого-либо исключения. Это масса животных, удойность коров, содержание основных химических компонентов в молоке и др. Колос пшеницы может содержать от нескольких до нескольких сотен зерен; так же широко варьирует количество яиц, откладываемых самками дрозофилы. К количественным признакам относятся особенности нервной деятельности животных и человека. Главная черта количественных признаков заключается в том, что различия по ним между отдельными индивидами могут быть очень небольшими, поэтому для установления реальности этих различий необходимы точные измерения. Гены, определяющие вариабельность количественных признаков, называются полигенными или множественными факторами.

В некоторых случаях их эффект идентичен, в других - отдельные полигены могут оказывать разное в количественном отношении влияние на признак. Существование полигенов было убедительно доказано шведским генетиком Г. Нельсо-ном-Эле в 1908 г. при изучении окраски зерен у пшеницы. Он выяснил, что полигены наследуются по менделевским законам, хотя влияние их на фенотип, а следовательно, и расщепление в р2 отличаются от соответствующего расщепления генов, определяющих альтернативные признаки. Нельсон-Эле работал с несколькими линиями пшеницы, окраска зерен которых варьировала от темно-красных до белых (неокрашенных). При скрещивании растений с темно-красными и белыми зернами расщепление в F2 соответствовало моногибридному-3:1. С другой стороны, гибридное потомство FI от скрещивания рас с белыми и слабоокрашенными красными зернами имело окраску, промежуточную между окраской родительских форм. В этом случае, казалось, речь идет о неполном доминировании, что и было подтверждено результатами расщепления в р2: одна часть растений имела красные семена, две части - промежуточные по окраске, как и в FI, и одна часть - белые семена. Однако когда скрещивались другие линии пшеницы с белыми и красными семенами, в Р*2 обнаруживались пять типов окраски зерен различной степени интенсивности - от темно-красных до совершенно бесцветных. В целом растений с окрашенными семенами было 15/i6, тогда как с белыми семенами – 1/16

В последующих поколениях расщепление давали только растения из семян с промежуточной окраской. Растения, выращенные из темно-красных и белых семян, имели фенотипически однородное потомство. Нельсон-Эле объяснял результаты своих экспериментов тем, что на окраску семян влияют несколько генов с однозначным действием. В таком случае интенсивность окраски должна зависеть от числа доминантных аллелей.

Рассмотрим результаты наследования окраски семяну пшеницы при наличии двух неаллельных генов с однозначными действиями; их можно обозначить одними и теми же буквенными символами - Аь А2, А3 и т.д. Генотипы родительских форм имели только доминантные (темно-красные семена) или только рецессивные (белые семена) аллели.

С учетом того, что степень выраженности окраски зерен будет зависеть от числа доминантных аллелей генов AI и А2, и допустив, что участие обоих неаллельных генов в образовании пигмента одинаково, находим, что соотношение генотипических классов в FQ будет 1:4:6:4:1. Из данных решетки Пеннета можно также заключить, что по степени проявления признака больше всего будет промежуточных форм с двумя доминантными генами. Таким образом, фенотипические вариации окраски зерен пшеницы определяются числом доминантных аллелей в генотипе данного растения. Если на признак, подобный окраске семян пшеницы (такой результат также получен в опы- f тах Нельсона-Эле), влияют три гена с аддитивными действиями, то расщепление потомства по окраске семян в р2 даст семь фенотипических классов в отношении 1:6:15: :20:15:6:1. Растения с полностью неокрашенными зернами составят 1/64 потомства.

В опытах Нельсона-Эле факторы внешней среды могли не учитываться, так как их вклад в вариабельность окраски семян, вероятно, был весьма невелик. Однако при наследовании количественных признаков чаще наблюдается иная ситуация. Такие признаки, как масса человека, жирность молока коров, размер зерен в колосе и многие другие, подвержены влиянию негенетических факторов - питания, климата, болезней.

Чем большее число неаллельных генов влияет на количественный признак, тем более плавные колебания этих признаков отмечаются и тем шире амплитуда их изменчивости. Факторы среды только усиливают эту тенденцию.

РОЛЬ ГЕНОТИПА И ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ JB ПРОЯВЛЕНИИ ПРИЗНАКОВ

Первоначально развитие генетики сопровождалось представлением о фатальности влияния наследственности на структуру, функцию и психологические признаки человека.

Однако уже с конца XIX века многие исследователи отмечали, что свойства любого организма могут меняться под воздействием условий внешней среды. Еще в 1934 г. профессор С.Н. Давиденков опубликовал работу "Проблемы полиморфизма наследственных болезней нервной системы", в которой он подчеркивал, что вариабельность течения этих заболеваний может быть вызвана влиянием как других генов, так и внешней среды. Даже синтез одного белка является сложным и многоэтапным процессом, который регулируется на всех стадиях (транскрипции, процессинга, транспорта РНК из ядра, трансляции, формирования вторичной, третичной и четвертичной структур). Кроме того, время, количество, скорость и место его образования определяются множеством различных генетических и средовых факторов. Целостный организм, включающий большое количество разнообразных белков, функционирует как единая система, в которой развитие одних структур зависит от функции других и необходимости приспособления к меняющимся условиям внешней среды.

Так, например, патологические изменения гена контролирующего фермент фенилаланингидроксилазу, приводят к нарушению обмена аминокислоты фейилаланина. В результате поступающий с белком пищевых продуктов фенилаланин накапливается в организме человека, являющегося гомозиготой по аномальному гену, что вызывает поражение нервной системы. Но специальная диета, ограничивающая поступление с пищей этой аминокислоты, обеспечи-. вает ребенку нормальное развитие. Таким образом, фактор внешней среды (в данном случае диета) меняет фенотипическое действие гена, г в которых существует организм человека, могут модифицировать и шлдаеаяо детерминированные признаки. Например, рост ребенка контролируется целым рядом пар нормальных генов, регулирующих обмен гормонов, минералов, пищеварение и т.д. Но даже если изначально генетически определен высокий рост, а человек живет в плохих условиях (недостаток солнца, воздуха, неполноценное питание), то это приводит к низкорослости. Уровень интеллекта будет выше у человека, получившего хорошее образование, нежели у ребенка, который воспитывался в плохих социальных условиях и не мог учиться.

Таким образом, развитие любого организма зависит и от генотипа, и от факторов внешней среды. Это означает, что аналогичный у двух особей генотип не обеспечивает однозначно одинаковый фенотип, если эти индивиды развиваются в разных условиях.

Только генотип или только факторы внешней среды не могут определить формирование фенотипическнх характеристик какого-либо признака. Так, например, нельзя определить уровень интеллекта человека, не контактировавшего с факторами внеш ней среды - таких людей нет.

Важной задачей генетики является уточнение роли наследственных и внешнесредовых факторов в формировании того или иного признака. Фактически необходимо оценить степень обусловленности ко-личественных характеристик организма генетической изменчивостью (т.е. генетическими различиями между особями) или средовой изменчивостью (т.е. различиями внешних факторов). Для количественной оценки этих воздействий американский генетик Дж.Лаш ввел термин "наследуемость".

Наследуемость отражает вклад генетических факторов в фенотипическое проявление конкретного признака. Этот показатель может иметь значение в интервале от 0 до 1 (0-100%). Чем ниже уровень наследуемости, тем меньше роль генотипа в изменчивости данного признака. Если наследуемость приближается к 100%, то фенотипическая изменчивость признака почти Полностью определяется наследственными факторами.

Близнецовый метод выявления роли наследственности и среды в формировании признаков человека.

Для изучения величины наследуемости часто используется сравнение распространенное какого-либо признака или заболевания в группах людей, связанных между собой известной степенью родства. В конце XIX в. Ф. Галътон предложил изучать близнецов для определения роли наследственных факторов при различиях их фенотипичесю: особенностей. Научные основы для этих исследований были впервые разработаны Н.В. Сименсом в 1924 г.;

В настоящее время близнецовый метод - это изучение генетических закономерностей на индивидах, рожденных в один день от одних родителей. Метод базируется на существовании двух типов близнецов: монозиготных и дизиготных.

Монозиготные, идентичные или однояйцовые Близнецы о- это дети, развивающиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы), которая на разных стадиях дробления делится на несколько частей. Такие особи являются генетически одинаковыми, имеют идентичный набор генов, всегда одного пола. Поэтому фенотипические различия между монозиготными близнецами вызваны факторами внешней среды.

Дизиготные, двуяйцовые или неидентичные близнецы формируются при оплодотворении нескольких яйцеклеток разными сперматозоидами. Такие особи имеют только 50% общих генов и похожи друг на друга, как обычные братья и сестры. Но такие близнецы имеют одинаковые условия внутриутробного развития, часто значительное сходство окружающих факторов внешней среды, что отличает их от их других этой семье.

Каждый организм развивается и обитает в определенных внешних условиях, испытывая на себе действие факто ров внешней среды - колебаний температуры, освещенности, влажности, количества и качества пищи, а также вступает во взаимоотношения с другими организмами. Все эти факторы могут изменять морфологические и физиологические свойства организмов, т. е. их фенотип.

Список использованной литературы:

1.   С.И. Алиханян, А.П, Акифьев, Л.С. Чернин «Общая генетика»

2.   Н.П. Дубинин «Общая генетика»

3.   С.Г. Инге-Вегталов «Генетика с основами селекции»