Лекция 1. Генетика и ее место среди естественных наук.

План: 1. Предмет и методы генетики.

2. Этапы развития генетики. Связь генетики с другими науками.

3. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии генетики.

4. Достижения и актуальные вопросы генетики.

1.Предмет и методы генетики. Генетика - наука о наследственности и изменчивости органических форм: животных, растений, микроорганизмов, вирусов, плазмид.

Латинское слово -geneo - рождаю, genus - род, т.е. наука о передаче особенностей, признаков родителей - детям, предков - потомкам.

Для зооинженеров и ветеринарных врачей, посвятивших себя работе с животными, необходимо знать закономерности наследственности и изменчивости, которые изучает генетика, поэтому именно генетика лежит в основе теории и практики селекции, профилактики и повышению устойчивости животных к болезням.

Эволюционный процесс по Ч.Дарвину обусловлен: изменчивостью, наследственностью, естественным отбором, ....

Генетика изучает наследственность и изменчивость. Подробно отбор изучается по курсу разведения с.х. животных.

Для действия отбора необходимы различия между видами... изменчивость, т.е. изменчивость поставляет материал для естественного отбора, отбор оставляет наиболее приспособленные формы, а наследственность закрепляет признаки и свойства вида.

Наследственность: истинная (ядерная), ложная, треходная.

Под наследственностью понимают свойства живых существ передавать свои признаки и свойства потомству.

Наследственность - это присущее всем живым существам свойства воспроизведения в потомстве признаков родителей и более отдаленных предков обеспечивающем преемственность поколений и сохранения характерных для данного вида особенностей строения.

Наследственность - свойство клеток запоминать (консервировать) ту информацию, которая необходима для воспроизведения строения, обмена веществ и взаимодействия с внешней средой по образу и подобию своих предшественников.

Истинная наследственность связана с действием собственных генов организма (ядра, органелл), поэтому сюда же относится цитоплазматическая , материнская, нехромосомная, внеядерная, экстрахромосомная, не менделееское наследование.

Ложная наследственность - проявление у потомков признаков и свойств, которые обусловлены действием возбудителей болезней, симбионтов или тех или иных экзогенных веществ клетки (медленно текущие инфекции,зеленые гусеницы, желток яиц...)

Болезнь - это комплекс взаимодействия генов хозяина в ответ на активность возбудителя, возможность накопления веществ клеткой, поступивших из вне зависит от характера действия собственных генов.

Переходная наследственность включает широкий круг явлений, которые трудно квалифицировать однозначно, поскольку они сочетают черты ложной и истинной наследственности.

Изменчивость - это различия между особями одного вида, предками и потомством, возникающие как под влиянием наследственности и изменения самого наследственного материала, так и под влиянием внешних условий. Она (и) создает материал для естественного и искусственного отбора и является одним из основных факторов эволюции.

Ч.Дарвин выделял: неопределенную (индивидуальную) и определенную (групповую) изменчивость.

Неопределенная изменчивость характеризуется: не массова, не адекватна, не приспособительная. Генетический механизм такой изменчивости - мутации и рекомбинации.

Мутационная изменчивость - внезапное появление у единичного организма новых признаков, которых не было у его предков в результате изменения генетического материала. Значение мутаций в эволюции велико. Домашние животные отличаются от одних предков в результате мутаций (норки 27 мутаций окраски).

Мутационная (и) сочетается с комбинативной (и) которая возникает при перераспределении наследственного материала родителей.

Рекомбинативная изменчивость - кроссинговер. Корреляционная или соотносительная. Онтогенетическая, ее часто относят к наследственной, однако она определяется генотипом, в ходе онтогенеза проявляются новые свойства генотипа, поэтому ее можно считать промежуточной.

Определенная (групповая) наследственность - все наоборот все особи в популяции изменяются в одну сторону, направленно, согласно вызвавшему их фактору. Такие изменения называют модификациями.

Модификации зависят и от наследственности. Животные культурных пород сильнее реагируют на не благоприятные условия внешней среды.

Более подвержены М.И. продуктивные признаки, меньше морфологические.

Пределы модификационной изменчивости нормы реакции, т.е. способность организмов (в пределах генотипов) реагировать и проявляется в конкретных условиях среды.

Мутации и рекомбинации основа эволюции; модификации - результат эволюции.

Методы генетики: Генетика имеет свои методы исследований на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях:

1. Гибридологический

2. Генеалогический

3. Цитогенетический (хромосомы их строение, перестройки, функционирование)

4. Популяционно-статистический

5. Иммуногенетический

6. Онтогенетический

7. Рекомбинационный

8. Близнецовый

9. Мутационный

10. Леопосомный

11. Меделирования

2.0. Этапы развития генетики. Связь генетики с другими науками - выучить самостоятельно.

3.0. Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии генетики - выучить самостоятельно.

4.0. Достижения и актуальные проблемы генетики.

Достижения генетики в конце CC столетия огромны, благодаря генетической инженерии бурно развивается биотехнология.

Актуальными проблемами являются: решение продовольственной проблемы, охрана здоровья человека, животных, охрана среды обитания и сохранение целостности биосферы, этические проблемы генетики.

Продовольственная проблема. Проблема питания человека, особенно обеспечение полноценным белком. Примеры...

Пути: 1. Создание высокопродуктивных пород животных и сортов растений.

2. Использование достижений биотехнологии в производстве пищевого белка, витаминов и др.

Охрана здоровья. Различают генетическое здоровье и физическое здоровье.

Генетическое здоровье. Влияние антропогенных факторов (мутации, наследственные аномалии, болезни).

Физическое здоровье. Феногенетика (комплекс условий для нормального развития (кормление, содержание, реакции на стресс, отбор, подбор, устойчивость к болезням).

Сохранение биосферы: 1) Сохранение исчезающих видов; 2) Генетические меры по снижению загрязнений внешней среды; 3) Индуцированный мутагенез (микроорганизмы в промышленном производстве для эффективной очистки воды, почвы, вредных выбросов).

Этические проблемы генетики, связанные с достижением генетической инженерии (рекомбинантные ДНК, трансгенные организмы, химеры, клонирование, эффект франкенштейна).

Контрольные вопросы:

1. Что является предметом генетики?

2. Назовите методы генетики.

3. С какими науками связана генетика.

4. Назовите отечественных ученых - генетиков и их вклад в развитие генетики.

5. Назовите зарубежных основоположников генетики.

6. Что такое наследственность, виды наследственности?

7. Что такое изменчивость, виды изменчивости?

8. Значение генетики в решении продовольственной проблемы.

9. Значение генетики в охране здоровья животных.

10. Значение генетики в сохранении биосферы. Этические проблемы генетики.

 

Лекция № 2

Тема: Цитологические основы наследственности.

Вопросы:

1. Краткая история вопроса

2. Клеточный цикл

3. Строение хромосом. Кариотипы.

4. Оплодотворение, избирательность оплодотворения.

Развитие клеточной теории во второй половине XIX века создало предпосылку для признания законов Менделя. Именно клеточная теория обосновала роль ядра в наследственности.

В 1855 году Р. Вирхов выдвинул фундаментальное положение Omnis Cellula e Cellulae -всякая клетка от клетки, т.е. положение о самовоспроизведении клетки.

Началось детальное изучение процесса клеточного деления, или митоза В. Флеминг .

В. Флеминг обнаружил, что при митозе хромосомы делятся вдоль, а Е. Ван. Бенеден 1883 г. обратил внимание на то, что дочерние хромосомы до мельчайших подробностей повторяют строение материнской хромосомы.

Термин хромосома был введен в 1883 г. В. Вальдейером.

В 1884 г. Э. Страсбургер выделил такие стадии митоза как профаза и метафаза. Именно в этот период сформировалась ядерная гипотеза наследственности - В. Ру, 1883, Э. Страсбургер, 1884 г.

Считается, что цитогенетика как наука начала обосабливаться с 1896 г. после выхода в свет работы Э. Вильсона « Клетка в развитии и наследственности».

За прошедший период цитология добилась значительных успехов, в ней используются методы других смежных наук. В генетике цитологический метод широко используется для непосредственного изучения клеточных структур – носителей наследственной информации « ядро, органеллы цитоплазмы. Участки хромосомы, где происходит синтез рРНК, ядерных белков- гистонов называются организаторами ядрышка. Число их неодинаково. У свиней организаторы ядрышка найдены на 8 и 10 хромосомах. Ядрышкообразующие районы связаны у свиней с болезнями - нарушением координации движений, прогрессирующей атаксией».

2 Клеточный цикл

Существование клетки от деления до деления или смерти - жизненный цикл клетки. У одноклеточных жизненный цикл совпадает с жизнью особи. У многоклеточных жизненный цикл состоит из 4 периодов. Первые три - интерфаза:G1- пресинтетический или постмитотический от англ. –grow (grou)- расти. В эту фазу происходит активный рост и функционирование клеток, обусловленные возобновлением транскрипции и накоплением синтезированных белков а так же подготовка к синтезу Д Н К.

В S-(synthesis) фазе происходит репликация Д Н К и удвоение материала хромосом

В G2 фазе осуществляется подготовка клеток к делению, в т. ч. синтез белков веретена деления. В результате заключительного этапа клеточного цикла – митоза редуплицированные хромосомы расходятся в дочерние клетки.

Продолжительность клеточного цикла от 10 до 50 часов и зависит от типа клеток, их возраста, гормонального баланса организма, количества Д Н К в ядре, температуры, времени суток и др. факторов.

Наиболее вариабельны G1 и G2 фазы, они могут значительно удлиняться в особенности у так называемых покоящихся клеток, в этом случае выделяют G0 период (от англ. Gap - промежуток, интервал) или период покоя. С учетом этого периода клеточный цикл может длиться недели, месяцы (у клеток печени), а у нейронов к. ц. равен продолжительности жизни организма.

Для клеток млекопитающих в культуре ткани G1 =10; S=9; G2=4; митоз- 1 час, всего 24 часа. Набор хромосом в G1-диплоидный, S- тетраплоидный обратимый, G2- диплоидный, а затем митоз.

Передача наследственной информации в процессе деления клеток и при оплодотворении:

Митоз представляет собой способ упорядоченного деления клетки, при котором каждая из двух дочерних клеток получает такое же число и те же типы хромосом, какие имела материнская клетка. Митотическое деление представляет собой непрерывный процесс, каждая стадия которого незаметно переходит из одной в другую. Для удобства принято подразделять митоз на четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза: Происходит формирование хромосом. За счет спирализации длина хромосом уменьшается примерно в 25 раз, разрушается ядрышко, ядрышковое вещество участвует в образовании веретена деления. Центросома делится на дочерние центриоли между которыми формируются нити веретена деления. Ядерная оболочка разрушается.

Метафаза: короткий промежуток времени, в течение которого хромосомы находятся в плоскости экватора. Центромера делится, и хроматиды превращаются в две совершенно обособленные дочерние хромосомы.

Анафаза: деление центромер происходит одновременно во всех хромосомах. Выстроившись вдоль экватора, хромосомы тотчас же начинают расходиться, причем каждая сестринская хроматида отходит к одному из полюсов. Природа механизма заставляющего хромосомы двигаться к полюсам, пока неизвестна.

Телофаза начинается с момента достижения хромосомами полюсов происходит их деспирализация. Вокруг каждого дочернего ядра образуется ядерная оболочка. После деления клетки происходит синтез ДНК, формируется вторая хроматида. Что приводит к удвоению хромосом.

Генетическая сущность митоза заключается в равномерном распределении генетического материала материнской клетки между дочерними клетками. Генетическая изменчивость не меняется. Изменчивость может измениться при воздействии соматических мутаций или соматического кроссинговера.

Патология митоза: задержка митоза в профазе, нарушение спирализации деспирализации хромосом, раннее расделение хроматид, фрагментация или пульверизация хромосом, задержка митоза в метафазе

Причины: воздействие химических веществ, радиации, вирусных инфекций. Например, при чуме у свиней наблюдается пульверизация и фрагментация хромосом.

Мейоз: постоянство числа хромосом в последовательных поколениях обеспечивается процессом мейоза. Мейоз( от греч. Meiosis – уменьшение ) по существу состоит из двух клеточных делений при которых число хромосом уменьшается в двое, так что гаметы получают вдвое меньше хромосом чем соматические клетки. Диплоидное число хромосом восстанавливается при оплодотворении. Уменьшение числа хромосом происходит не беспорядочно, а закономерно, путем попарного соединения гомологичных хромосом и последующего расхождения членов пары к одному из полюсов.

Процесс мейоза заключается в двух, следующих одно за другим клеточных делениях, называемых соответственно первым или редукционным и вторым –эквационным. Репликация хромосом происходит в период S фазы интерфазы. В редукционном делении уменьшается вдвое число хромосом и центромер, однако, каждая центромера прикреплена к дуплицированной хромосоме. Во втором мейотическом делении центромеры делятся, а каждая дуплицированная хромосома превращается в пару самостоятельных хромосом. В каждом мейотическом делении различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу как в митозе.

Профаза первого мейотического деления наиболее продолжительная и делится на несколько стадий…

В стадии зигонемы (соединение нитей) тонкие нити конъюгируют друг с другом (синапсис) Конъюгация отличается высокой точностью. Образуются биваленты.

Стадия пахинемы (толстые нити) происходит кроссинговер.

 

Стадия диплонемы или стадия четырех хроматид. Каждая из гомологичных хромосом бивалента расщепляется на две хроматиды, которые полностью не разъединяются. Места соединения хроматид называются хиазмами, которые удерживают моноваленты вместе. Завершается обмен гомологичными участками хромосом.

Стадия диакинеза характеризуется максимальным укорочением диплотенных хромосом. Биваленты отходят к периферии ядра, легко подсчитываются. На этом завершается профаза 1.

В метафазе 1 исчезает ядерная оболочка, биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки, формируется веретено деления.

В анафазе 1 гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам в отличие от митоза к полюсам отходят хромосомы, состоящие из двух хроматид, именно в анафазе происходит редукция – сокращение хромосом

Телофаза 1 весьма кратковременна, слабо обособлена от анафазы, образуются два дочерних ядра. Её нередко рассматривают как состояние покоя между двумя делениями мейоза-интеркинез.

Второе деление мейоза – эквационное происходит в обоих дочерних ядрах, так же как и в митозе. Образовавшиеся четыре клетки имеют гаплоидный набор хромосом

Патология мейоза. Основная причина – нерасхождение хромосом: первичное, анафаза 1 – нарушается разделение бивалентов и обе хромосомы из пары аналогов не переходят в одну клетку (п. 1) и недостатку в другой (п – 1)

Вторичное – возникает в гаметах у особей с избытком (трисомией) одной хромосомы в результате образуются и биваленты и униваленты.

Третичное – у особей со структурной перестройкой хромосом ( транслокации)

Биологическая роль мейоза: Механизм поддержания видового постоянства числа хромосом, обеспечивает генетическую разнородность гамет благодаря случайной комбинации материнских и отцовских хромосом, вызывает образование хромосом нового генетического состава благодаря кроссинговеру, что приводит к изменению наследственной изменчивости.

Гаметогенез. Гаметы у животных образуются в особых органах – гонадах. Диплоидные клетки, из которых образуются гаметы, называют оогониями и сперматогониями. Их быстрое размножение путем митоза приводит к образованию огромного количества клеток. Клетки растут, причем ооциты 1 порядка достигают значительно больших размеров, чем сперматоциты 1 порядка. Затем одно за другим происходят два деления созревания: сначала редукционное, а затем эквационное в результате образуются сперматоциты и ооциты 11 порядка. В результате делений созревания образуются четыре гаплоидных клетки. Сперматиды – одинаковы по размерам, а у особей женского пола продукты деления созревания неравноценны: ооцит первого порядка, отделяя направительное тельце (полярное), превращается в ооцит второго порядка а тот, в свою очередь, отделяет еще одно полярное тельце и становится крупным, богатым цитоплазмой зрелым яйцом. Образовавшиеся полярные тельца в дальнейшем развитии не участвуют

Строение хромосом, кариотипы.

Морфологию хромосом, как правило, описывают на стадии метафазы или анафазы, когда они лучше всего видны в клетке. Хромосомы состоят из хроматина, который содержит Д Н К (40 %), гистоны (40 %), не гистоновые хромосомные белки (20 %) и не большое количество Р Н К.

Гистоны – хромосомные основные белки с высоким содержанием аргинина и лизина. Гистоны прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней наследственной информации. В этом состоит их регуляторная роль. Они выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах.

Негистоновые хромосомные белки главным образом кислотные белки. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации репарации ДНК.

Гистоны и ДНК объединены в структуру, которая называется хроматиновой нитью (хроматида), которая представляет собой двойную спиральДНК, окружающую гистоновый стержень. Каким именно образом двойная спираль располагается вокруг гистонов, пока не ясно.

В определении формы хромосом большое значение имеет положение ее обязательного элемента – центромеры, которая делит хромосому на две части (плечи). В зависимости от положения центромеры различают: метацентрические ( равноплечие ), субметацентрические (неравноплечие ), акроцентрические – центромера расположена очень близко к одному из концов хромосомы, телоцентрические –центромера расположена на самом конце хромосомы (одноплечие ). При описании хромосом короткое плечо обозначают буквой p, а длинное - g . Объективным критерием для отнесения хромосом к той или иной группе служит центромерный индекс – отношение длины короткого плеча к длине хромосомы в процентах. У акроцентрических хромосом центромерный индекс менее-12,5 %, субметацентрических от12,6до 37, метацентрических – от 37,6 до 50 %. К морфологической характеристике относят наличие у хромосом вторичных перетяжек, соответствующих зонам ядрышковых организаторов. В таких вторичных перетяжках локализуются гены, ответственные за синтез рРНК. Синтез и созревание рРНК происходит в ядрышках. Цетромера имеет сложное строение, в ней находится ДНК с характерной последовательностью нуклеотидов. Хромосомы обычно имеют одну центромеру. Её потеря производит к нарушению подвижности и потере хромосомы. Известны виды с полицентрическими хромосомами, с так называемой диффузной центромерой. У этих видов даже фрагменты разорванных хромосом благополучно расходятся к полюсам.

Теломеры или концевые участки хромосом в значительной мере ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований, они препятствуют слипанию хромосом.

Хромосомы идентифицируют по ряду дополнительных признаков – спутникам (сателлитам), различным методам дифференциальной окраски, выделяя более темные (гетерохроматиновые) и более светлые (эухроматиновые) участки. В гетерохроматиновых участках хромосомы более спирализованы чем в эухроматиновых. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны. Характер распределения эухроматиновых и гетерохроматиновых участков постоянен для каждой хромосомы.

Кариотипы. В 1924 г. Г. А. Левитский создал учение о кариотипах согласно которому клетки каждому виду организмов характеризуются наличием определенной и постоянной совокупности индивидуализированных хромосом. Кариотип – набор хромосом соматической клетки, свойственный тому или иному виду животных или растений. Зигота содержит диплоидный набор хромосом, одинарный набор хромосом – геном.

Кариограмма – фотографии хромосом организма, систематизированные по группам в зависимости от морфологического строения.

Идиограмма – графическое изображение хромосом с учетом их морфологических деталей.

Число хромосом в кариотипе не зависит от уровня организации животных и растений ( lim 2 – 1200).

Оплодотворение и избирательность оплодотворения изучить самостоятельно.

Контрольные вопросы: 1. Назовите органоиды клетки и их основные функции. 2. Дайте характеристику фазам митоза и в чем его биологическая сущность? 3. Назовите фазы мейоза и в чем его биологическая сущность? 4. Строение и типы хромосом. 5. Что такое клеточный цикл? 6. Что такое кариотип? 7. В чем основные различия между сперматогенезом и оогенезом? 8. В чем сущность избирательности оплодотворения?

 

Лекция 3.

Тема: Наследование признаков при половом размножении

Вопросы: 1. Менделизм – основа генетики 2. Аллельность, понятие о множественном аллелизме. 3. Моногибридное скрещивание, виды доминирования. 4. Ди, полигибридное скрещивание. Правила Г. Менделя. 5. Плейотропное действие генов.

Впервые идею о существовании наследственных факторов и характера наследования отдельных признаков и свойств организма сформулировал Г. Мендель в своих опытах над растительными гибридами в 1965 году. Ему удалось установить принцип расщепления благодаря тому, что он упростил условия своих экспериментов таким образом, что в определенный момент имел дело с деталью явления. Исследователи до него терпели неудачу потому, что они работали с целым комплексом признаков и не пытались проанализировать результаты своих экспериментов количественно: подсчитать соотношение классов среди гибридов различных поколений.

Предусмотрительность Г. Менделя в создании условий опыта и его проницательность при толковании полученных данных, по словам Т. Моргана, обусловило его замечательные достижения. Главное достижение Г. Менделя в том, что он сформулировал и применил принципы гибридологического анализа для проверки конкретной гипотезы – гипотезы о наследственной передаче дискретных факторов.

Основные принципы гибридологического анализа:

- использование в качестве исходных форм для скрещивания растений, отличающихся друг от друга сравнительно небольшим количеством контрастных признаков и тщательный учет характера наследования каждого из них;

- точный количественный учет гибридных растений, различающихся по отдельным признакам, в ряде последовательных поколений;

- индивидуальный анализ потомства от каждого растения вряде последовательных поколений;

- недопустимость влияния чужеродного генетического материала на родительские расы и гибриды; - сохранение способности к размножению у гибридов и их потомства;

Аллельность, понятие о множественном аллелизме. Изучая наследственные признаки растений Г. Мендель одну категорию признаков назвал доминирующими – господствующими, другую рецессивными, т. е. уступающими, подавляемыми. Способ наследования любого признака можно определить и изучить лишь в том случае, если мы имеем два контрастных его состояния. Такие контрастные состояния признаков называются аллеломорфами или аллелями. Термины « ген» и «аллель» часто употребляют как синонимы, но аллелем обозначают определенную (структурную) форму состояния гена. По Иогансену, аллель – формы состояния гена, вызывающие фенотипические различия, но локализованные на гомологичных участках гомологичных хромосом, следовательно, в диплоидных клетках организма постоянно имеется пара аллелей – по одному партнеру в каждой из двух гомологичных хромосом диплоидного набора: АА- гомозиготный доминантный, Аа – гетерозиготный, аа – гомозиготный рецессивный. Обычно для определённого локуса известны лишь два аллеля, выражающие при гетерозиготности контрастируюшие признаки, но бывают случаи, когда данный локус встречается в целом ряде различных состояний, т. е. имеем дело с множественным состоянием гена, или множественными аллелями. Это результат мутаций. Мутации одного и того же гена могут возникать несколько раз, так что изменения могут быть весьма различными. Образуется серия аллелей и, соответственно серия аллеломорфных признаков. Это множественный аллеломорфизм. Для него характерно влияние всех аллелей на один и тот же признак, отличие между ними сводится к степени развития признака. Вторая особенность - в клетках диплоидных организмов содержится максимально два аллеля из нескольких. Создается ряд, в котором нормальный, т. е. неизмененный признак доминирует над всеми последующими. При кодоминировании у гетерозиготной особи все они равнозначны, т.е. будут выражены оба аллеломорфных признака.

Значение множественного аллелизма:

- усиливает комбинативную изменчивость, осбенно генотипическую;

-коммерческое – разный окрас у пушных зверей;

- на молекулярном уровне – группы крови, биохимический полиморфизм белков и ферментов

Множественный аллелизм характеризует изменчивость одного гена, а не ряда генов

3.0 Моногибридное скрещивание, виды доминирования

Проведя моногибридное скрещивание Г. Мендель установил следующие закономерности наследования признаков:

- у гибридов первого поколения проявляется только один из пары альтернативных признаков- доминантный, рецессивный нет.

-у гибридов второго поколения появляются особи как с доминантным так и с рецессивным признаком ( закон расщепления ) в соотношении 1 : 2 :1 по генотипу и 3 : 1 по фенотипу. Следовательно, среди потомков второго поколения половина гибридов а половина «чистых». У потомков первого поколения рецессивный аллель хотя и не проявляется, но и не смешивается с доминантным аллелем, а во втором поколении вновь проявляется в чистом виде. Это явление называют законом чистоты гамет или законом независимого наследования аллелей.

Виды доминирования: полное, неполное, кодоминирование, сверхдоминирование, доминирование обусловленное полом.

Ди и полигибридное скрещивание . Скрещивание особей различающихся по двум парам альтернативных признаков называется дигибридным. Анализ дигибридного скрещивания показывает, что у гибридов первого поколения, как и при моногибридном скрещивании, наблюдается единообразие в развитии по каждому из признаков. При скрещивании дигетерозигот между собой в F2 получают 16 генотипов, так как каждая особь образует 4 типа гамет. Анализ гибридов F2 показывает, что получается 9 генотипических классов, 4 фенотипа, расщепление 9АВ : 3Ав :3Ва : 1ав. На основании анализа Г. Мендель пришел к выводу, что факторы А и В у гибридов АаВв, при образовании половых клеток, распределяются между собой совершенно независимо друг от друга идают сочетания с одинаковой частотой, что подтверждает третий закон – закон чистоты гамет.

При полигибридных скрещиваниях алгебраическое выражение расщепления может быть представлено: Р. ААВВССДД х ааввссдд. В F1 АаВвСсДд. В F2 ( А + а)2 ( В +в)2 ( С+с)2 (Д + д)2

Согласно формуле, если число пар признаков, которыми отличаются исходные формы равно п, то для F2 число особей равно 4п, число разных генотипических классов равно 3п, число фенотипов 2п, число сортов гамет у гетерозигот 2п.

Правила Г. Менделя:

-единообразие первого поколения

-правило ( закон расщепления )

- независимое наследование аллелей или правило чистоты гамет

5.0 Плейотропное действие генов, летальные гены

Плеотропия – явление, которое проявляется при действии одного гена на развитие нескольких признаков по разному. Французский зоолог Кено обнаружил , что при скрещивании между собой жёлтых мышей окрас не закреплялся в потомстве, а всегда дает расщепление 2: 1. Анализирующее скрещивание даёт расщепление 1 : 1. Так впервые было установлено, что ген в гомозиготном состоянии может быть летальным, по этому гомозиготы погибают на ранних стадиях развития. Это явление обнаружено:

- каракульские овцы ( серая расцветка ), линейные и чешуйчатые карпы, платиновые лисицы, фактор Мерля у догов, « Дункер» у норвежских гончих. Крапчатость сопровождается микрофтальмией, глаукомой, слепотой, глухотой, аномалиями половой системы, голубым цветом глаз. Белый окрас у кошек сопровощдается голубыми глазами и глухотой.

При искусственном осеменении вероятность распространения летальных генов велика: шведский голштинский бык Принц Адольф – бесшерстность, бык айрширской породы Данлот Талисман – гидроцефалия. Сами по себе летальные гены не элиминируются. Поэтому наличие летальных генов в популяции зависит не только от вида,сколько от степени его изученности, количества и ценности потомков.

Контрольные вопросы: В чём основные заслуги Г. Менделя?. Перечислите основные положения гибридологического анализа. Что означают следующие термины: доминирование, рецессивность, аллель генотип, фенотип, гомозиготность, гетерозиготность. В чём сущность множественного аллелизма?Перечислите виды доминирования. Назовите 3 правила Г. Менделя

 

Лекция 4

Тема: Наследование признаков при взаимодействии неаллельных генов.

Вопросы: 1 Понятие о неаллельных генах. 2 Взаимодействие неаллельных

 

генов ( комплементарное, эпистаз, полимерия, дупликатные гены, гены модификаторы). 3 Наследственность и среда, Экспрессивность и пенетрантность генов.

1. Понятие о неаллельных генах. Изучая законы наследования Г. Мендель опирался на наблюдения о независимом наследовании отдельных признаков. На основании этого был сделан вывод, что организм развивается как мозаика из-за наличия связи один ген – один признак. В дальнейшем это положение было пересмотрено. Между генами в процессе развития особи были обнаружены сложные взаимодействия- это главное что характеризует функционирование генов. Иногда на один и тот же признак влияют две или несколько пар неаллельных генов, т. е. генов занимающих определенный локус в негомологичных хромосомах. Формирование признака в этом случае зависит от характера их взаимодействия. Различают несколько видов взаимодействия неаллельных генов:

Комплементарное действие генов. Это совместное, дополняющее друг друга действие двух или большего числа генов на развитие признака. К комплементарным или дополнительным относят такие гены, которые при совместном действии ( А + В ) обуславливают развитие нового признака, а в отдельности воспроизводят признак одного из родителей.Известно,что для развития окраски необходимо наличие белков и ферментов, обуславливающих превращения их в пигмент. Если одного из веществ нет, то пигмент не образуется. Впервые. При скрещивании двух рас душистого горошка с белыми цветками в F1 все цветки пурпурные, в F2 расщепление-9 пурпурных и 7 белых. НОВООБРАЗОВАНИЕ такой тип взаимодействия генов когда при их сочетании в одном организме развивается совершенно новая форма признака. При скрещивании кур с розовидным ( RRcc ) гребнем со стручковидным ( rrCC) в F1 все потомки имеют ореховидный ( RrCc ) гребень. В F2 расщепление 9- ореховидных, 3 розовидных, 3 стручковидных и 1 листовидный.

ЭПИСТАЗ и ГИПОСТАЗ тип взаимодействия генов при котором признак вызываемый доминантным геном одной пары прикрывает признак развивающйся под влиянием другой их пары. Ген подавитель- супрессор или эпистатичный ген. Подавляемый ген называется гипостатичным. От обычного доминирования эпистаз отличается тем, что в первом случае (А >а ) одна пара аллелей, а при эпистазе ( А> B ), т. е. противоположно комплементарному действию. Различают доминантный и рецессивный эпистаз. При доминантном эпистазе при скрещивании в F1 серых лошадей между собой в F2 получается расщепление 12 серых, 3 вороных и 1 рыжая. При скрещивании белых леггорнов (CCJJ) с белыми плимутроками (ccjj ) в F1 все потомки белые, а в F2 идет расщепление 13 белых ( 12 содержат ген « А» и 1 гомозиготный по аллелю « в» ) и 3 окрашенных (чёрные потому, что в их генотипе ( а В ) нет эпистатического гена « А» ). Наряду с доминантным эпистазом существует рецессивный эпистаз (криптомерия ). Явление криптомерии возникает в тех случаях, когда рецессивный ген скрывает действие доминантного неаллельного гена. Этот тип наследования хорошо изучен на примерах рецессивных аллелях альбинизма. Скрещивание чёрных мышей (ССаа) с альбиносами ( ссАА) дает окраску агути. Окраска агути обязана наличию двух пигментов. В отдельном волоске основная часть его чёрная, а узкая верхушечная часть его занята жёлтым кольцом. В случае мутации кольца жёлтого пигмента изчезают и в результате развивается чёрная окраска. Эта мутация рецессивна по отношению к агути. При скрещивании дигетерозиготных мышей агути из F1 в F2 получаются 3 фенотипических группы в соотношении 9 агути, 3 чёрных и 4 альбиноса. В этом случае генотипы ССаа, Ссаа, Ссаа имеют чёрную окраску, а генотипы ссАА, ссАа, ссАа, ссаа – белую окраску. Вданном случае криптомерное состояние гена А под покровом действия гена « с» приводит к появлению атавизма.

ПОЛИМЕРИЯ – тип взаимодействия генов, при котором на развитие признака влияют несколько разных но одинаково действующих генов В рассмотренных ранее типах взаимодействия генов мы касались альтернативных, т.е. качественно различающихся признаков. Селекционерам приходится иметь дело с признаками,которые не всегда можно разложить на чёткие фенотипические классы,поэтому их необходимо выражать количественно, т.е. измерять, взвешивать, подсчитывать. В селекции выделяют две группы признаков: качественные количественные. КАЧЕСТВЕННЫЕ- признаки, развитие которых контролируется одним или несколькими генами, выявить которые можно гибридологическим анализом. Изменчивость их дискретная, наследуются они по правилам Менделя. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ –признаки, развитие которых контролируется многими разными, но одинаково действующими генами, причём каждый из них усиливает развитие признака. Изменчивость их плавная, изучаются они популяционно – статистическим анализом. Впервые полимерию установил Нильсон – Эле, скрещивая пшеницу с темноокрашенными зернами с белозерной. В F1 окраска семян носила промежуточный характер, в F2 вместо расщепления 9 : 3 : 3 : 1, он получил расщепление 1 : 4 : 6 :4 : 1. Если это расщепление перенести в систему координат мы получим кривую нормального распределения. При накоплении доминантных генов их действие усиливается (наличие 4 доминантных генов даёт самую сильную окраску семян), и чем их больше, тем больше амплитуда изменчивости. Если признак обусловлен 1 парой генов- 3 фенотипических класса, min число особей равно 4 со всеми возможными комбинациями аллелей, при 3-х, каждый тригибридный родитель образует 8 сортов гамет, число комбинаций 64 ( 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1), чтобы проявились все сочетания необходимо иметь популяцию min из 64 осбей, т.е. каждый класс ( вариант ) генотипов составляет коэффицент бинома ( А + а)n, чем больше полимерных генов входят в генотип, тем плавне будет переход к нормальнгому распределению. Суммирующее действие генов называется аддитивным. Встречается не аддитивная полимерия. При скрещивании кур пород Лангшан х Плимутрок расщеплене 15 с перьями на плюсне и 1 без оперения.

Наследование количественных признаков включает не только аддитивное наследование, обусловленное взаимодействием неаллельных генов, но и эпистаз, аллельное, плейотропное действие генов и генный баланс. Не меньшее значение имеет взаимодействие генотипа и среды. Организм единое целое, в котором признаки связаны коррелятивно, что так же влияет на их развитие.

ДУПЛИКАТНЫЕ ГЕНЫ- это неаллельные доминантные гены, по отдельности и вместе одинаково влияющие на развитие признака, при этом расщепление идёт 15 : 1. Оперенная голень у кур под действием гена А и В и совместном АВ.

ГЕНЫ МОДИФИКАТОРЫ. Сложное взаимодействие генов при котором гены не обнаруживая фенотипического эффекта усиливают или ослабляют проявление других генов. У чёрно пестрого скота сплошная окраска ген «S», пегость рецессивный ген «s», размеры пегости зависят от генов модификаторов. У белоголовых герефордов с непегментированными веками глаз на солнце развивается рак глаз- это уже селекционное значение. Крайняя форма модификации – эпистаз.

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И СРЕДА, ЭКСПРЕССИВНОСТЬ И ПЕНЕТРАНТНОСТЬ ГЕНОВ. Весь процесс развития особи происходит под непрерывным регулирующим влиянием генотипа, а также условий среды, в которой находится растущий организм. Следовательно, свойства особи зависят от двух основных факторов – генотипа и среды. Внешние различия в развитии признака, которые зависят только от влияния среды называют модификациями. Типичные примеры модификаций наблюдаются постоянно, например, результат недокорма животных. Модификации приводят к значительной изменчивости, но они не наследуются. Не менее важна изменчивость,зависящая от от различий в генетической конституции- генотипе, которые связаны в основном с рекомбинацией генов. С помощью вегетативного размножения из одного растения можно получить большое количество одинаковых потомков в виде клона. Все потомки имеют одинаковый генотип, но при выращивании их в различных условиях среды появляется множество модификаций, однако, при возвращении потомков в прежнюю среду обитания все модификационные свойства исчезали и не проявлялись в последующих поколениях. Большой интерес в этом плане представляет изучение монозиготных близнецов, которые позволили генетикам ответить на вопрос осоотношении среды и генотипа на развитие особи. Задача исследователей состоит в установлении сходства ( конкордантности ) или несходства ( дисконкордантности) в парах близнецов. Установлено, что удельный вес генетической информации в развитии особи очень велик. Поражая своим физическим сходством, они по разному реагируют на влияние условий внешней среды. Возникновение у животных инфекционных заболеваний определяется средой, однако, степень наследственной предрасположенности играет роль при любом заболевании. Наследование рисунка окраса у гималйских кроликов требует строгого соотношения генотипа с условиями среды. Чёрные волосы растут на участках кожи с пониженной температурой, т. е. где ухудшено кровообращение. Наследуется не рисунок гималайского кролика как таковой, а способность в зависимости от температурных условий к образованию пигмента. Способность противостоять колеблющимся условиям среды путем адаптивного реагирования организмов получила название физиологического гомеостаза.

Все перечисленное указывает на глубокие различия между признаком особи и геном. Признаки как таковые не наследуются, они развиваются лишь на основе взаимодействия генотипа со средой. Наследуется комплекс генов, который определяет норму реакции организма, изменяющую проявление и выражение признаков в разных условиях среды . Степень фенотипического проявления гена как мера силы его действия, определяемая по степени развития самого признака называется ЭКСПРЕССИВНОСТЬЮ. Классическим примером экспрессивности и различного фенотипического проявления гена может служить окрас меха у кролика, определяемый серией множестенных аллелей гена « С». Важное значение для характера проявления генов имеют наличие и активность генов модификаторов, опеделяющих степень экспрессивности генов в зависимости от специфических условий среды. Один и тот же признак может проявится или не проявится у особей родственных групп. Это явление называется пенетрантностью, Пенетрантность определяется по проценту особей в популяции, у которых данный ген проявился, т. е пенетрантность бывает полной и не полной. Например, у мышей мутация изогнутости хвоста « поросячий хвост» имеет пенетрантность 16,7%.

Контрольые вопросы: 1. Что такое неаллельные гены? 2. В чем сущность комплементарного взаимодействия генов? 3. Что такое эпистаз? 4. В чем различия между доминированием и эпистазом? 5 Что такое аддитивная полимерия? 6. В чём влияние наследственности и среды на свойства особи? 7. Дайте определения понятиям экспрессивность и пенетрантность генов.

 

Лекция 5

Хромосомная теория наследственности

Вопросы: 1. Сцепленное наследование признаков, группы сцепления. 2. Неполное сцепление, кроссинговер. 3.Хромосомная теория наследственности Т. Моргана. 4. Карты хромосом их использование в практике.

В 1902 г. В. Саттон ( США) и Т. Бовери ( Германия) независимо друг от друга предположили, что гены находятся в хромосомах. Эта идея положила начало хромосомной теории наследственности. Арументом в пользу такого предположения был параллелизм в поведении хромосом в процессе мейоза и оплодотворения, с одной стороны, и генов-с другой. Существование двух аллелей данного признака, один из которых наследуется от одного родителя, а другой от второго, соответствует существованию двух хромосом, каждая из которых приходит от одного из родителей.

Изучая дигибридное скрещивание выяснилось, что независимое комбинирование признаков объясняется тем,что расщепление одной пары аллельных генов, определяющих соответствующие признаки, происходит независимо от другой пары. Основу этого явления составляет механизм независимого распределения хромосом в мейозе, когда гены разных пар находятся в разных хромосомах, но количество хромосом ограничено, по сравнению с количеством признаков, каждый из которых находится под контролем определённых генов. У дрозофилы изучено более 1000 признаков, а хромосом всего 4 пары, у человека известно более 30 000 генов, а хромосом 23 пары. Естественно, что между генами, которые находятся в одной хромосоме должно быть сцепление и при образовании половых клеток они должны передаваться вместе. Следовательно, третий менделеевский закон касается хромосом, а не генов и действие его ограничено. Это впервые подтвердили В. Бетсон и Р. Пеннет скрещивая две расы душистого горошка, различающихся по окраске цветков и форме пыльцы: 1. Пурпурная окраска ( Р) и удлинённая форма пыльцы (L). 2. Красная окраска цветков (р) и округлая форма пыльцы (l). Генотипы родителей были (PPLL) и (ppll). В F1 все растения были с пурпурными цветками и удлинненой формой пыльцы (PpLl), а в F2, ожидаемого расщепления 9 :3 : 3 : 1 не получилось. Растений с генотипами (Pl) и ( pL) вместо по18,75%, получилось по 5,6% . Для объяснения этих явлений авторы предложили теорию « притяжения – отталкивания», которая была умозрительной и не могла объяснить материальных основ отклонения от 3 закона Мнделя и до 1910 г. наблюдавшиеся отклонения относили к редким случайным отклонениям.

Термин « сцепление генов» и объяснение его дал Томас Гент Морган (1866 - 1945). Сцепление генов – это совместное наследование генов, ограничивающее свободное их комбинирование. В качестве объекта исследований он со своими учениками ( А. Стертевантом, С. Бриджесом) использовал плодовую мушку дрозофилу ( Т. Морган просил денег у попечителей Колумбийского университета на кроликов для генетических исследований, они ему отказали. Скупость попечителей привела к тому, что Морган случайно выбрал классический объект для генетических исследований. Как потом оказалось в кариотипе у кролика 44хромосомы, а у дрозофилы всего 8.( дрозофила за один раз даёт до 100 потомков, в течении 12-15 дней, после оплодотворения, из яйца развивается личинка, куколка, взрослая особь, которая сразу же способна дать потомство. За 1 год можно получить 20 поколений). Т. Морган установил, что материальной основой сцепления является хромосома. Все гены, находящиеся в одной хромосоме, связаны между собой субстратом хромосомы,её организацией и поведением в мейозе. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом.

Как отличить сцепленное наследование от несцепленного,независимого комбинирования генов. Если два гена полностью сцеплены, то дигибрид будет давать два типа гамет ( АВ и ав), а при независимом комбинировании генов 4 типа. Следовательно, если две пары аллельных генов расположены в одной паре гомологичных хромосом, топри образовании половых клеток гены этих аллелей свободно комбинироваться не смогут, наблюдается сцепленное наследование.

ПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ. Т. Морган скрещивал чёрных длиннокрылых самок дрозофилы с серыми зачаточнокрылыми самцами. У дрозофилы серая окраска тела( В) доминирует над чёрной ( в), длинные крылья (V) над зачаточными (v). Указанные гены находятся в одной – второй паре хромосом. Всё потомство в F1 имело серое тело и длинные крылья и было гетерозиготно по обеим парам признаков (вV / Bv). Из F1 отобрали самцов- серых с нормальными крыльями (вV/ Вv) и скрестили с гомозиготными (вv/вv) самками, которые имели чёрное тело и зачаточные крылья, т. е. провели анализирующее скрещивание. При независимом наследовании признаков должно было получится расщепление 1:1:1:1 т. е. получить 4 фенотипа, но были получены потомки только двух фенотипов исходных родительских форм. В этом случае наблюдается сцепление генов, гендлинных крыльев и чёрной окраски тела находятся водной, а ген зачаточных крыльев и серого тела в другой гомологичной хромосоме Поетому при сочетании указанных гамет с гаметами особи с рецессивными признаками получается потомство двух типов. Полное сцепление пока установлено только у самцов дрозофилы и у самок тутового шелкопряда.

НЕПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ, КРОССИНГОВЕР. В другом варианте скрещивания Т. Морган взял из F1 гетерозиготных самок, имеющих длинные крылья и серое тело, и скрестил их с гомозиготными рецессивными самцами,имеющими чёрное тело и зачаточные крылья. В результате получил потомство не двухтипов как при полном сцеплении, а четырёх, но не в равных отношениях, как при независимом комбинировании признаков, а со значительным преобладанием фенотипов сходных с родительскими формами: 41,5% мух было серых с зачаточными крыльями,как у одного исходного родителя и 41,5% чёрных с длинными крыльями как у второго родителя. Только 17% потомков отличались новым сочетанием признаков: 8,5%потомков имели чёрное тело и зачаточные крылья и 8,5% имели серое тело и длинные крылья,т. е. сцепление оказалось не полным. Для объяснения этого явления Морган использовал и развил теорию хиазмотипии Янсена, который в 1909 году наблюдал, что при спермиогенезе у саламандры в первой профазе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют, а затем, при начале расхождения, образуют фигуры в виде греческой буквы хи. Т. Морган высказал гипотезу о том, что при образовании хиазм гомологичные хромосомы обмениваются участками. Обмен гомологичных хромосом частями назвали перекрестом или кроссинговером. Особей с еовым сочетанием признаков называют кроссоверами. Кроссинговер приводит к изменению групп сцепления и расширяет возможности комбинативной изменчивости.

Количество новых форм зависит от частоты перекреста, а частота перекреста между определённой парой генов относительно постоянная, но разная для разных пар генов. На основании этого был сделан вывод, что по частоте перекрёста можно судить о расстоянии между генами. За единицу расстояния между генами принята частота перекрёста равная 1% (морганида). Величина перекреста зависит от расстояния между генами,чем больше расстояние, тем чаще происходит перекрест, чем меньше, тем реже ( явление интерференции). Установлено, что число кроссоверных особей никогда не превышает 50% от общего числа,так как при больших расстояниях между генами происходит двойной кроссинговер и часть кроссоверов не учитывается. Их можно учесть при изучении не двух пар сцепленных генов, а трёх или четырёх. В этом случае, учитывая двойные и тройные перекресты, можно точно судить о расстоянии между генами Явление кроссинговера, установленное генетическими методами, цитологическими методами доказали К. Штерн на дрозофиле и Б. М. Клинтон и Г. Крейтон на кукурузе.

ЛИНЕЙНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ГЕНОВ В ХРОМОСОМЕ, КАРТЫ ХРОМОСОМ. После того, как установили связь генов с хромосомами, что частота кроссинговера всегда определенная для каждой пары генов, расположенных в одной группе сцепления, встал вопрос о пространственном расположении генов в хромосоме. На основании многочисленных исследований Т. Морган в 1919г. сформулировал положение, которое в дальнейшем получило название закона Моргана или закона сцепления и перекреста: Если А; В; С; представляют собой три гена и если известны соотношения сцепления между А и В; В и С, то соотношение сцепления между А и С является функцией суммы или разности,т. е. сравнивая проценты кроссинговера между несколькими генами можно расположить их в группе сцепления справа и слева друг от друга на расстояниях, соответствующих % обмена между каждой парой генов, при этом действует правило аддитивности. На основании этих положений был сделан вывод о том, что гены в хромосоме расположены в линейной последовательности на определенных расстояниях друг от друга, это дало возможность составлять генетические карты хромосом. К настоящему времени составлены карты хромосом для большинства видов животных и растений. При сопоставлении генетических карт хромосом с цитологическими было установлено, что каждый ген находится в определенном месте (локусе) хромосомы, расположены линейно, но расстояние между генами на генетической карте не вполне соответствует установленным цитологически. Однако это не снижает ценности генетических карт, для предсказания появления особей с новыми сочетаниями признаков.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХРОМОСОМНОЙ ТЕОРИИ НАС ЛЕДСТВЕННОСТИ:

- материальные носители наследственности – гены находятся в хромосомах, располагаются в них линейно на определенном расстоянии друг от друга;

- гены, расположенные в одной хромосоме, относятся к одной группе сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом ;

- признаки, гены которых находятся в одной хромосоме, наследуются сцеплено;

- в потомстве гетерозиготных родителей новые сочетания генов, расположенных в одной паре хромосом, могут возникать в результате кроссинговера в процессе мейоза;

- частота кроссинговера, определяемая по проценту кроссоверных особей, зависит от расстояния между генами;

- на основании линейного расположения генов в хромосоме и частоты кроссинговера,как показателя расстояния между генами, можно построить карты хромосом;

Контрольные вопросы: 1. Что такое группа сцепления? 2. Что такое полное и неполное сцепление? 3. Какие причины могут изменить ожидаемое соотношение генотипов? 4. Всегда ли кроссинговер приводит к генетической рекомбинации? 5. Как определяется и в каких единицах измеряется расстояние между генами в хромосоме? 6. На основании каких данных составляются генетические карты хромосом? 7. Перечислите основные положения хромосомной теории Т. Моргана.

 

Лекция 6.

Тема: Генетика пола.

Вопросы: 1. Теории ( типы) определения пола. Патология по половым хромосомам. 2. Проблема регулирования и раннего определения пола. 3. Наследование признаков сцепленных и обусловленных полом и их практическое использование.

1. Теории (типы) определения пола. Пол – совокупность морфологических и физиологических особенностей организма, обеспечивающих половое размножение, сущность которого сводится к оплодотворению, т.е. слиянию мужских и женских половых клеток (гамет) в зиготу, из которой развивается новый организм. В изучении полового размножения есть еще много не решенных вопросов. В частности, до сих пор обсуждаются преимущества и недостатки полового размножения. Предполагается , что асексуальные системы менее приспособлены к изменяющимся условиям внешней среды, неспособны эффективно элиминировать вредные мутации и относительно недолговечны.

Детерминация пола может происходить на разных стадиях цикла размножения, Пол зиготы может предопределяется ещё в процессе созревания женских гамет. Такой тип детерминации пола называют прогамным (коловратки, тли, эрисема). Яйцеклетки этих животных в результате неравномерного распределения цитоплазмы в процессе оогенеза становятся различнывми по размеру ещё до оплодотворения. Из крупных яиц после оплодотворения развиваются только самки, из мелких – самцы.

Если пол нового организма определяется при оплодотворении, то такой тип детерминации пола называют сингамным.

В некоторых случаях детерминация пола происходит после оплодотворения под влиянием условий внешней среды, такой тип детерминации принято называть эпигамным (морской червь –бонеллия).

Отмечено, что соотношение полов у животных при рождении близко 1:1, т. е. данное соотношение совпадает с расщеплением при анализирующем скрещивании, когда одна особь гетерозиготна, а вторая гомозиготна по рецессивному гену. При изучении кариотипа самцов клопа, было установлено, что в одних сперматоцитах второго порядка семь хромосом, а в других -6, следовательно, одна хромосома оказалась непарной, её назвали X –хромосомой, а все остальные хромосомы в клетке – аутосомами. В последствии были обнаружены организмы, у которых в сперматогониях одна из пар хромосом представлена неодинаковыми по размеру и форме хромосомами, за одной,сходной с парными хромосомами женского пола осталось название « X – хромосома» , другую- иной формы и размера назвали « Y хромосома». Эти хромосомы назвали –половыми. Пол, образующий гаметы одного сорта по половым хромосомам ( X и X ), назвали гомогаметным; образующий два сорта гамет ( X и Y или X и 0 )- гетерогаметным.

Хромосомная теория определения пола. Различают дифференциацию пола ( фенотипический пол),т.е. появление внешних гениталиев, вторичных половых признаков и первичное определение пола, под которым понимают появление гонады ( репродуктивного органа соматической природы ) самки или самца _ яичника или тестиса. Считается, что принципиальная схема этого процесса консервативна. У раздельнополых пол в основном детерминируется хромосомным механизмом, но факторы внешней среды могут регулировать и видоизменять половой фенотип. Выделяют несколько типов определения пола в зависимости от числа и состава половых хромосом. У млекопитающих, рыб, двукрылых насекомых, а так же двудомных растений гетерогаметный пол ( XY) мужской. У птиц, рептилий, некоторых бабочек, рыб, земноводных, цветковых растений, наоборот, гетерогаметный пол - женский. У водяного клопа (Protenor), у некоторых бабочек и червей пол связан с наличием у самцов одной X хромосомы( набор половых хромосом –XO ), а у самок – двух. Умоли самки имеют одну X хромосому ( XO), а самцы – две. У перепончатокрылых ( в том числе и у медоносной пчелы ), пол определяется иным путем. В этой группе самки диплоидны, а самцы первично гаплоидны, однако, гаплоидность у самцов присуща клеткам зародышевого пути (клеткам из которых развиваются гаметы), во всех остальных частях тела ( за счёт вторичного удвоения хромосом) диплоидный набор хромосом. В результате самцы имеют нормальные размеры тела и жизнеспособны. У самок мейоз протекает нормально, а у самцов не происходит редукции хромосом. Первичная гаплоидность самцов связана с тем, что они развиваются из неоплодотворённых яиц, что присуще только перепончатокрылым. Совершенно очевидно, что колоссальные и легко фиксируемые различия в организации и физиологии особей разных полов развиваются на фоне полностью идентичных у самцов и самок наборов генов, расположенных в аутосомах, которые не связаны с половыми различиями, а определяются, сравнительно небольшим числом генов, заключённых в половых хромосомах.

Балансовая теория определения пола К. Бриджеса.

Балансовую теорию определения пола у дрозофилы разработал американский генетик К. Бриджес в 1921 г. ( к настоящему времени известно, что в Y хромосоме у дрозофилы открыто 11 генов, влияющих на формирование сперматозоидов, но не влияющих на формирование половых признаков, характеризующих взрослых самцов. Особь XO ( Y – хромосома утрачена) является самцом. Первичный сигнал, возникающий из соотношения Х- хромосом и аутосом контролирует все аспекты половой дифференцировки через действие ключевого гена Sxl. У самок, имеющих отношение Х : А равное 1, Sxl активен, у самцов, с отношением 0,5 не активен. Состояние активности гена Sxl регулирует процессы дозовой компенсции, развития половых признаков в соматических и зародышевых клетках).

Бриджес, скрещивая триплоидных самок ( 3Х : 3А) с нормальными самцами ( XY + 2А), обнаружил в потомстве среди нормальных самок и самцов особей с промежуточным или необычным проявлением половых признаков. Всё потомство распалось на 8 классов в зависимости от соотношения половых хромосом и аутосом: 1. 3Х : 3А- триплоидные самки; 2. 2Х : 2А-диплоидные самки; 3. ( 2Х + Y) : 2А – самки; В этих случаях отношение Х –хромосом к аутосомам составляет единицу. Наличие мужской Y- хромосомы не влияет на нормальное развитие самки.

4. Особи, имеющие хромосомную конституцию ХY : 2А, для которых отношение половых хромосом к аутосомам равно 0,5, по фенотипу нормальные самцы.

5 и 6. Особи 2Х : 3А и ( 2Х+ Y) : 3А, у которых отношение Х хромосом к аутосомам варьировало между 0,5 и 1 имели смешанное проявление мужских и женских половых признаков ( интерсексы). У них полностью отсутствовали секторы тела, детерминированные по полу, либо в ходе развития до определенного момента формировались органы, присущие одному полу, затем органы другого пола.

7 и 8. если число наборов хромосом увеличивалось до 3 при наличии 1 Х-хромосомы ( Х : 3А), развивался « сверхсамец» - организм с гипертрофированными признаками самца, но стерильный. Увеличение числа Х хромосом при диплоидном наборе аутосом ( 3Х : 2А), напротив, ведет к формированию « сверхсамки» с ненормально развитыми яичниками и другими нарушениями признаков пола. Полученные данные позволили Бриджесу заключить, что пол у дрозофилы определяется балансом числа Х –хромосом и аутосом, т. е. Y- хромосома вообще не играет роли в определении пола.

Генетическая теория определения пола.

Классическими эмбриогенетическими исследованиями установлены два правила определения пола у млекопитающих. Первое, сфориулированное А. Жостом в 60 –х гг. « Специализация развивающихся гонад в тестис или яичник опеделяет последующую дифференциацию эмбриона». Примерно до 1959 г. считали, что число Х- хромосом является важнейшим фактором контроля пола у млекопитающих. Однако, наличие особей с одной Х – хромосомой развивающихся как самки, и особей с Y- хромосомой и несколькими Х – хромосомами, развивающихся как самцы, заставило отказаться от таких представлений. Было сформулировано второе правило определения пола у млекопитающих: « Y- хромосома несёт генетическую информацию требуемую для терминации пола у самцов». Совокупность этих двух правил называют принципом Жоста: «Хромосомный пол, связанный с присутствием или отсутствием Y-хромосомы, определяет дифференциацию эмбриональной гонады, которая, в свою очередь, контролирует фенотипический пол организма». Пордобный механизм определения пола называют генетическим и противопоставляют теориям, основаны на контролирующей роли внешней среды или соотношению половых хромосом и аутосом.

Биологической основой генетического механизма определения пола является бисексуальность эмбриональных гонад млекопитающих, которые формируются из клеток целомического эпителия, мезенхимы и первичных половых клеток гоноцитов. В таких прогонадах одновременно присутствуют мюллеровы и вольфовы протоки – зачатки половых путей самок и самцов. Мюллеров проток прогонады является предшественником матки, яйцеводов и верхней части влагалища. Вольфов проток - семя проводящих протоков эпидидимиса, семенных пузырьков. Первичная детерминация пола начинается с появления в прогонадах специализированных клеточных линий- клеток Сертоли в которых проявляет свою деятельность ген MIS « Mullerian Jnhibitiny Substance) или AMH « anti Mullerian Hormone» ответственный за прямое и опосредованное развитие мюллерова протока, развитие внутренних и наружных гениталий по мужскому типу, который находится в коротком плече 19 хромосомы со временем экспрессии от 10 до 12 недели эмбрионального развития. Морфологически вначале прогонада с ХХ и ХY хромосомами в кариотипе эмбрионов неразличима. Первые половые различия между гонадами наблюдаются у человека через 6 недель, у мышей через 12 дней после зачатия. Установлено что для нормального функционирования клеток Сертоли необходим ХY кариотип. Присутствие в геноме Y- хромосомы всегда приводит к формированию мужской гонады, независимо от числа Х- хромосом.Доминирующее влияние Y- хромосомы рассматривают как первичный сигнал, направляющий дифференцировку пола по мужскому типу. При отсутствии гонад или при нарушении их развития пол формируется по женскому типу независимо от хромосомного набора.

Мужским полоопределяющим геном является SRY « sex determining region Y», локализованный в коротком плече Y – хромосомы. Особи, у которых Y-хромосома представлена коротким плечом – мужские, длинным – женские. Ген SRY находится только в Y- хромосоме. Это небольшой ген, лишенный интронов, с промотором 310 п.н.,богатый Г Ц парами с рамкой считывания 12п.н., кодирует белок из 204 аминокислот. Аналогии последовательностей гена SRY нет ни Х- хромосоме ни в аутосомах. SRY- один из семейства генов ( их более 20), получившего название SOX ( SRY type HMG box ). Для этого семейства характерна тканеспецифическая экспрессия в раннем эмбриогенезе. Sox1, Sox2 и Х- хромосомный Sox3- активны при развитии нервной системы. Sox4 работает, как активатор транскрипции, в Т- лимфоцитах, а Sox5 проявляет специфическую активность во время сперматогенеза. Sox9 – требуется для нормального развития скелета и ответственный за CD – синдром ( cat- pomelic displasia), он находится 17 хромосоме, экспрессируется до 13 дня эмбрионального развития в мезенхиме ( примитивная зародышевая ткань). Его считают модификатором влияния SRY на экспрессию MIS,т.е. своеобразным ограничителем активности этого гена в раннем эмбриогенезе. На формирование пола у человека влияют гены ZFY ( Zinc Finger Y)-короткое плечо –Y- хромосомы и ZFX- короткое плечо Х- хромосомы. Ген AR- рецептор андрогенов, локализованный в длинном плече Х- хромосомы, с размером в 75 т.п. н., кодирует белок из 917 аминокислот. Мутации в генах, кодирующих рецепторы андрогенов и фермент 5-а редуктазу, приводят к нарушению полового развития- мужскому псевдогермафродитизму (генетический, гонадный, гормональный пол мужской, но наружные половые органы недоразвитые мужские или женские).

В геноме млекопитающих Y- хромосома единственная, которая непосредственно не работает на реализацию генотипа. Её генетическая значимость связана с преемственностью между поколениями, с контролем гаметогенеза, первичной детерминацией пола.Все гены Y- хромосомы или имеют реальную селективную ценность, или находятся на пути исчезновения ( псевдогены). Жесткий отбор действует только на немногие её гены, остальная ДНК селективно нейтральна. Предполагают связь между спецификой детерминации и дифференциации пола и репродуктивной межвидовой изоляцией, что может лежать в основе постулата Д. Холдейна ( 1922 г.) о стерильности или отсутствии гетерогаметного пола при отдаленной гибридизации. Бисексуальность первичных гонад, сложное взаимодействие генов, определяющих формирование пола, с гормональной и нервной системами организма приводит к тому, что переформирование пола может проходить в процессе всего онтогенеза, это приводит к проявлению гинандроморфизма, фримартинизма, гермафродитизма.

Патология по половым хромосомам проявляется в виде синдрома Тернера ( ХО); синдрома Клайнфельтера- Шерешевского с формулой 2А +nX + mY с пограничными значениями 1-4n и 0-2m; синдром CD у человека и у человека описан ген WTI, вызывающий ряд наследственных заболеваний ( опухоль Вильямса, синдром Денис- Драма, экспрессирующийся на 9 день эмбрионального развития и контролирующий развитие недифференцированной бисексуальной гонады. Ранняя диагностика патологии по половым хромосомам проводится методом Барра или у некоторых млекопитающих по феномену полового хроматина – барабанным палочкам (вытянутые ядра нейтрофильных лейкоцитов у женских особей), их наличие у самцов – патология.

2. Проблема регулирования и раннего определения пола. Данная проблема имеет экономическое значение. Пути решения: 1. Метод диплоидного партеногенеза для получения самок и метод оплодотворения яйцеклеток для получения самцов, разработанный Б. Л. Астауровым д