Основные понятия генетики
Наследственность — свойство живых организмов передавать признаки потомству. Изменчивость — способность приобретать новые признаки в ходе онтогенеза. Эти два свойства составляют фундамент существования и эволюции живых систем.
- Ген — дискретная единица наследственности, участок молекулы ДНК, кодирующий определённый белок и определяющий развитие признака.
- Локус — место расположения гена на хромосоме.
- Генотип — совокупность всех генов организма.
- Фенотип — совокупность морфологических и физиологических признаков, проявление генотипа.
- Геном — вся генетическая информация клетки, заключённая в гаплоидном наборе хромосом и органоидах.
- Генофонд — совокупность генов популяции.
- Аллель — различные состояния гена, возникающие в результате мутаций; у диплоидного организма — два аллеля каждого гена в гомологичных хромосомах.
Аллельные гены расположены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и отвечают за один признак; неаллельные — в разных локусах и контролируют разные признаки. Доминантный аллель (заглавная буква) подавляет проявление рецессивного (строчная буква) у гетерозиготы. Организм, несущий одинаковые аллели, — гомозигота; разные — гетерозигота.
Законы Менделя
В 1865 году Грегор Мендель в работе «Опыты над растительными гибридами» описал закономерности наследования у гороха посевного. Он разработал гибридологический метод и ввёл генетическую символику.
- Закон единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании двух гомозигот, различающихся одной парой альтернативных признаков, всё поколение F1 единообразно и несёт доминантный признак.
- Закон расщепления: при скрещивании двух гетерозигот F1 в поколении F2 наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 и по генотипу 1:2:1. Объясняется гипотезой чистоты гамет: наследственные факторы не смешиваются и попадают в гамету по одному.
- Закон независимого наследования: при дигибридном скрещивании признаки наследуются независимо, расщепление по фенотипу — 9:3:3:1.
В 1936 году Рональд Фишер показал, что данные Менделя статистически слишком близки к ожидаемым. Удача Менделя связана с выбором гороха: самоопыление, чёткие альтернативные признаки, моногенный характер изученных признаков (окраска и форма семян), большое потомство.
Хромосомная теория наследственности
Парадокс Менделя стимулировал изучение хромосом. В 1902–1903 годах У. Сеттон и Т. Бовери независимо показали, что носителями наследственности служат хромосомы. В 1910–1920-х годах Томас Морган доказал линейное расположение генов на хромосомах.
Закон Моргана: гены, локализованные на одной хромосоме, наследуются преимущественно совместно и образуют группу сцепления. Морган открыл также сцепленное с полом наследование на примере белоглазости у дрозофилы, проявлявшейся преимущественно у самцов.
Были построены генетические карты — схемы взаимного расположения генов и расстояний между ними, выраженных в сантиморганидах (морганидах). Одна морганида соответствует 1% вероятности рекомбинации между аллелями в мейозе.
Модельный объект Моргана — Drosophila melanogaster: четыре пары хромосом (XY и три аутосомы), короткий цикл развития (~2 недели до половой зрелости), высокая плодовитость, неприхотливость, большое число спонтанных мутаций.
Типы скрещиваний
- Моногибридное — по одной паре признаков; ди- и полигибридное — по двум и более парам.
- Возвратное (беккросс) — скрещивание гибрида с одной из родительских форм; используется в селекции для закрепления признаков.
- Анализирующее — скрещивание особи с неизвестным генотипом с гомозиготой по рецессиву для определения её генотипа.
- Реципрокное — два скрещивания со взаимной заменой пола носителей анализируемого признака; применяется при изучении сцепленного с полом наследования.
Чистая линия — генетически однородная группа особей, стабильно передающая признаки потомству без расщепления.
Кроссинговер
Кроссинговер — обмен гомологичных хромосом соответствующими участками; основной источник комбинативной изменчивости. Происходит в профазе I мейоза.
- Конъюгация: гомологичные хромосомы сближаются и образуют биваленты; каждая состоит из двух сестринских хроматид.
- Разрыв: в точках перекрёста (хиазмах) ферменты разрезают ДНК несестринских хроматид.
- Обмен и воссоединение: фрагменты сшиваются крест-накрест с хроматидой гомолога.
В результате образуются кроссоверные гаметы с новыми комбинациями аллелей и некроссоверные — с исходными. Например, из хромосом AB и ab образуются Ab и aB.
Организация ядерного генома эукариот
Ядерный геном — совокупность ДНК ядра клетки. Включает уникальные и повторяющиеся последовательности.
Уникальные последовательности представлены в одной или нескольких копиях:
- Кодирующая ДНК — экзоны, несущие информацию о последовательности аминокислот или функциональных РНК.
- Некодирующая ДНК: интроны внутри генов; регуляторные сайты — промоторы, энхансеры, сайленсеры; псевдогены.
- Cis-элементы регулируют гены той же хромосомы; trans-элементы — белки и транскрипционные факторы, связывающиеся с cis-элементами.
Повторяющиеся последовательности могут составлять более половины генома эукариот:
- Мобильные генетические элементы («прыгающие гены») — транспозоны и ретротранспозоны, способные перемещаться и вызывать мутации.
- Тандемные повторы: сателлитная ДНК (короткие повторы в центромерах и теломерах), мини- и микросателлиты, применяемые в ДНК-дактилоскопии.
С-парадокс — отсутствие прямой корреляции между размером генома и сложностью организма: у ряда амфибий и растений геном крупнее человеческого за счёт повторов. Альтернативный сплайсинг объясняет, как один ген кодирует несколько белков: экзоны пре-мРНК сшиваются в разных комбинациях, увеличивая белковое разнообразие без роста числа генов.
Ключевые моменты
- Наследственность и изменчивость — фундаментальные свойства живого; ген, локус, генотип, фенотип и аллель — базовые понятия генетики.
- Три закона Менделя описывают единообразие F1, расщепление 3:1 в F2 и независимое наследование с расщеплением 9:3:3:1.
- Гипотеза чистоты гамет: наследственные факторы передаются в гамету по одному, не смешиваясь.
- Хромосомная теория Моргана: гены расположены на хромосомах линейно и образуют группы сцепления; расстояния измеряются в морганидах.
- Сцепленное с полом наследование впервые описано на дрозофиле как модельном организме.
- Анализирующее, возвратное и реципрокное скрещивания — инструменты выявления генотипа и характера наследования.
- Кроссинговер в профазе I мейоза создаёт новые комбинации аллелей и обеспечивает комбинативную изменчивость.
- Геном эукариот сочетает уникальные кодирующие участки, регуляторные элементы и многочисленные повторы; альтернативный сплайсинг расширяет белковый репертуар клетки.