Лекция 1 Предмет ветеринарная генетика и ее задачи. Генетика популяций

 

Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственности и изменчивости организмов. Наследственность – свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обусловливать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды. Изменчивость – это возникновение различий между организмами по ряду признаков и свойств.

Наследственность, изменчивость и отбор – основа эволюции. Мутации поставляют первичный материал для эволюции, а в результате отбора сохраняются положительные признаки и свойства, которые благодаря наследственности передаются из поколения в поколение.

Знание закономерностей наследственности и изменчивости способствует более быстрому созданию новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов.

С.М.Гершензон выделяет четыре основные проблемы, изучаемые генетикой:

1. Проблема хранения генетической информации (где и каким образом закодирована генетическая информация);

2. Проблема передачи генетической информации от клетки к клетке, от поколения к поколению;

3. Проблема реализации генетической информации в процессе онтогенеза;

4. Проблема изменения генетической информации в процессе мутаций.

Ветеринарная генетика – это раздел генетики животных, изучающий наследственные аномалии и болезни с наследственным предрасположением, а также разрабатывающий методы диагностики, профилактики и селекции на устойчивость к болезням.

Задачи ветеринарной генетики:

1. Изучение наследственных аномалий;

2. Разработка методов выявления гетерозиготных носителей наследственных аномалий;

3. Контролирование распространения вредных генов в популяциях и их элиминация;

4. Изучение генетики иммунитета;

5. Изучение болезней с наследственным предрасположением;

6. Разработка методов раннего выявления устойчивости и восприимчивости организма к болезням, в том числе при отсутствии инфекционного фона;

7. Создание резистентных к болезням и приспособленных к промышленной технологии стад, линий, пород.

Методы изучения генетики

Цитогенетический метод служит для изучения строения хромосом, их репликации и функционирования, хромосомных перестроек и изменчивости числа хромосом. С помощью цитогенетики выявляют различные болезни и аномалии, связанные с нарушением в строении хромосом и изменением их числа.

Гибридологический анализ основан на использовании системы скрещиваний в ряде поколений для определения характера наследования признаков и свойств. Он включает так называемый рекомбинационный метод, который основан на явлении кроссинговера – обмена идентичными участками в хроматидах гомологических хромосом в профазе 1 мейоза. Этот метод используют для составления генетических карт, а также для создания рекомбинантных молекул ДНК, содержащих генетические системы различных организмов.

Генеалогический метод заключается в использовании родословных для изучения закономерностей наследования признаков, в том числе наследственных болезней. Этот метод в первую очередь применяется при изучении наследственности человека и медленно плодящихся животных.

Близнецовый метод применяют при изучении влияния определенных факторов внешней среды и их взаимодействия с генотипом особи, а также для выявления относительной роли генотипической и модификационной изменчивости в общей изменчивости признака.

Мутационный метод (мутагенез) позволяет установить характер влияния мутагенных факторов на генетический аппарат клетки, ДНК, хромосомы, на изменения признаков или свойств. Используют в микробиологии для создания новых штаммов бактерий. Он нашел применение в селекции тутового шелкопряда.

Популяционно-статистический метод применяется при обработке результатов скрещиваний, изучении связи между признаками, анализе генетической структуры популяций, распространении генетических аномалий в популяциях.

Иммуногенетический метод включает серологические методы, иммуноэлектрофорез и другие, которые используются для изучения групп крови, белков и ферментов сыворотки крови и тканей. С его помощью можно установить иммунологическую несовместимость, выявить иммунодефициты, мозаицизм близнецов.

Феногенетический метод позволяет установить степень влияния генов и условий среды на развитие изучаемых свойств и признаков в онтогенезе. При изучении явлений наследственности и изменчивости используют биохимический, физиологический и другие методы.

Биометрический метод представляет собой ряд математических приемов, позволяющих определить степень достоверности полученных данных, установить вероятность различий между показателями опытных и контрольных групп животных. Составной частью биометрии являются закон регрессии и статистический закон наследуемости, установленные Ф.Гальтоном.

Развитие науки генетики связывают с именами таких ученых, как Г. де Фриз, К.Корренс и Э.Чермак, переоткрывших в 1900 году законы Г. Менделя (1865); Т.Г.Морган, создавший хромосомную теорию наследственности; Г. Меллер, широко развернувший работу по искусственному мутагенезу; О. Эвери (1944), доказавший ведущую роль ДНК в сохранении и передаче информации (начало развития молекулярной генетики); Ф.Крик и Д.Уотсон (1953), разработавшие модель структурной формулы молекуды ДНК; М. Ниренберг и С. Очао (1961-1965), расшифровавшие генетический код; Г. Коран (1969), синтезировавший химическим путем участок молекулы ДНК. Академик Л.К.Эрнст внес большой вклад в становление ветеринарной генетики.

В настоящее время генетика занимается изучением следующих основных проблем:

1. Проводятся обширные исследования в области генетической инженерии с целью получения в достаточном количестве инсулина, интерферона, антибиотиков, витаминов, незаменимых аминокислот, кормовых и пищевых белков, биологических средств защиты растений;

2. Регуляция и управление действием генов в онтогенезе;

3. Ставится задача разработать методы управления процессами мутаций, что даст возможность получать нужные наследственные изменения при создании новых штаммов микроорганизмов, сортов растений, линий и пород животных;

4. Изучается проблема регуляции пола у животных;

5. Ведутся перспективные исследования по клонированию животных;

6. Необходимо решить проблему защиты наследственности человека и животных от мутагенного действия радиации и химических мутагенов среды;

7. Исследуются вопросы борьбы с наследственными болезнями у человека и животных, создания линий, пород, устойчивых к болезням.

В центре внимания современной генетики находится такой важный ее раздел, как медицинская генетика (генетика человека).

Генетика популяций

Популяционная генетика – это наука, определяющая новые подходы научного анализа теории эволюции видов и служащая теоретической основой для проведения эффективной селекционной работы с животными, растениями, микроорганизмами, что позволяет дать обоснование для правильного подхода в изучении генетики человека, в связи с необходимостью вести борьбу с наследственными болезнями.

Роданачальниками популяционной генетики являются датский физиолог В.Иоганнсен (1903), который впервые показал, что следует различать фенотипическую и генотипическую изменчивость и ввел термины «фенотип» и «генотип»; английский математик Г.Харди и немецкий врач В. Вайнберг (1908), которые установили математическую закономерность постоянства генотипического состава панкмитических популяций; Н.П.Дубинин (1934) показал, что процесс мутирования и мутабельность организмов имеют адаптивное значение для популяции.

Популяцией называется совокупность множества особей биологического вида, обитающих в определенном ареале и составляющих сообщество. По Н.В. Тимофееву-Ресовскому, популяция – это совокупность особей данного вида, в течение длительного времени (большого числа поколений) населяющая определенное пространство, состоящая из особей, могущих свободно скрещиваться друг с другом, и отделенная от таких же соседних совокупностей одной из форм изоляций (пространственной, сезонной, физиологической, генетической). Каждая популяция характеризуется своим определенным генофондом, т.е. совокупностью аллелей, входящих в ее состав. Популяция состоит из животных разных генотипов. Эффективность отбора в ней зависит от степени генетической изменчивости – соотношения доминантных и рецессивных генов.

Чистая линия – это потомство, полученное только от одного родителя и имеющее с ним полное сходство по генотипу. Высокогомозиготных линий мышей, крыс и других лабораторных животных создают в целях проведения экспериментов, например, для проверки на мутагенность препаратов, оценки вакцин.

Генетическая структура популяций определяется концентрацией каждого гена (или его аллелей) в популяции, характером генотипов и частотой их распространения.

Генетическую структуру популяций принято выражать частотой аллелей каждого локуса и частотой гомозиготных и гетерозиготных генотипов. Соотношение частот аллелей и генотипов в популяции проявляет определенную закономерность в каждый конкретный отрезок времени и по поколениям организмов. Взаимодействие генов разных локусов между собой также оказывает влияние на генетическую изменчивость популяции и называется коадаптацией генов. Генетическая структура каждой панкмитической (генетической) популяции сохраняется в ряде поколений до некоторых пор, пока какой-либо фактор не выведет ее из равновесного состояния. Сохранение исходной генетической структуры, то есть частоты аллелей и генотипов в ряде поколений, называется генетическим равновесием. Популяция может иметь равновесие по одним локусам и неравновесное состояние по другим. При переходе популяции в неравновесное состояние изменяются уровни частот аллелей и генотипов, складывается новое соотношение между гомозиготными и гетерозиотными генотипами. Это равновесие зависит от типов скрещивания и размножения (в т.ч. инбридинг), воздействия отбора (искусственного и естественного), мутационного процесса, факторов среды, миграции особей.

Закон Харди-Вайнберга для панкмитических популяций

Суть закона Харди-Вайнберга заключается в том, что в популяции при свободном скрещивании сохраняется постоянство генетической структуры при постоянстве частоты генотипов, что выражается коэффициентами частот разложения бинома. Сохранение в потомстве той же генетической структуры, что и в исходном поколении, называется равновесным генетическим состоянием популяции.

Закон равновесия по соотношению генотипов ученые выразили формулой: p2AA+2pqAa+q2aa , где р- частота доминантного гена А, q - частота рецессивного аллеля а. Правило Харди-Вайнберга: при отсутствии факторов, изменяющих частоты генов, популяции при любом соотношении аллелей от поколения к поколению сохраняют эти частоты аллелей постоянными. По этой формуле можно рассчитать структуру популяции и определить частоты гетерозигот, проанализировать сдвиги в генных частотах по конкретным признакам и результате отбора, мутаций и других факторов. Популяция находится в равновесии только тогда, когда в ней не происходит отбора. Скрещивание, восстанавливающее соотношение генотипов в популяции в соответствии с формулой Харди-Вайнберга, получило название стабилизирующего. Можно применять так называемое анализирующее скрещивание. Для этого животное с неизвестным, но предполагаемым генотипом (АА или Аа) спаривают с животным, имеющим рецессивный генотип (аа), фенотипически проявляющийся при визуальном обследовании. В этом случае возможны два варианта генотипов потомства: если испытуемое животное имеет гетерозиготный генотип (Аа), то ожидаемое расщепление 1:1=Аа:аа; если испытуемое животное гомозиготно по доминантному аллелю (АА), то расщепления не наблюдается и генотип потомков Аа фенотипически будет соотвествовать АА.

Из закона Харди-Вайнберга следует, что редкие аллели, особенно рецессивные, присутствуют в популяции чаще всего в гетерозиготном состоянии.

Факторы, влияющие на структуру популяций

- естественный и искусственный отбор. По С.М.Гершензону, критерием интенсивности естественного отбора служит разность приспособленности сравниваемых групп, называемая коэффициентом отбора и выражаемая в долях единицы. Например, если вероятность оставления потомства особями с генотипом аа, на 10% меньше, чем особями с генотипом АА или Аа, то приспособленность этих двух групп для особей АА и Аа равна 1, для особей аа – 0,9. При искусственном отборе определяющее значение имеют признаки продуктивности.

- Мутации. С точки зрения ветеринарной генетики имеет значение эффективность отбора против вредных мутаций, прежде всего рецессивного типа. Анализ показывает, что высокие частоты рецессивного мутантного гена путем отбора могут быть быстро снижены до низких значений. Чтобы снизить частоту летального гена, например с 0,3 до 0,2, достаточно двух поколений. Судьба генных и хромосомных мутаций зависит от влияния отбора, силы его давления и направления.

- Дрейф генов. Наиболее интенсивно дрейф генов протекает в малых популяциях. Это значит, что структура популяции может изменяться в силу случайных генетико-автоматических процессов.

- Миграции генов. На практике дрейф означает завоз животных, особенно производителей или их спермы, из других стран. Так, экспорт голштинов из США в ФРГ способствовал распространению пупочных грыж у немецкого черно-пестрого скота, что могло привести к распространению нежелательной мутации в других популяциях.

- Инбридинг. Это спаривание животных, находящихся в родственных отношениях. Каждое животное в генотипе имеет аллельные гены как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии. В гетерозиготе обычно находятся вредные мутантные рецессивные гены. При инбридинге возрастает вероятность слияния тождественных гамет, несущих мутантные гены в гетерозиготном состоянии, и перехода их в гомозиготное состояние. Эта вероятность пропорциональна степени родства спариваемых животных. Повышение гомозиготности у потомства при разных степенях родственных отношений родителей определяется по несколько измененной формуле С.Райта

 

Fx=[(1/2)n+n1-1 x (1+fa)]

 

Fx – коэффициент инбридинга потомка, n- ряд родословной с материнской , n1 – ряд родословной с отцовской стороны, где находится общий предок, fa – коэффициент инбридинга общего предка.

Особенности наследования количественных признаков.

В генетике выделяют два класса признаков – качественные и количественные. Количественные признаки не дают четких границ расщепления при разных вариантах скрещивания, хотя отличаются от качественных более высокой степенью изменчивости. Особенностью количественных признаков является сложный характер наследования. Каждый из них контролируется не одним, а множеством локусов в хромосомах. Такой тип наследования, когда один признак обусловливается многими генами, носит название полимерии. Уровень развития количественного признака зависит от соотношения доминантных и рецессивных генов, других генетических факторов и степени модифицирующего действия факторов внешней среды. Изменчивость по количественному признаку в популяции складывается из генетической и паратипической (внешнесредовой) изменчивости.

Для оценки эффективности отбора по количественным признакам в популяционной генетике введено понятие наследуемости – степени генетической детерминации признака в фенотипе. То есть определяют, в какой степени уровень развития признака зависит от генотипа родителей, и в какой степени от условий внешней среды. Выражают это через коэффициент наследуемости: h2=2r, h2 - коэффициент наследуемости; r - корреляция по количественному признаку между прямыми родственниками, например мать-дочь (м/д) – для количественных признаков; или h2=2R д/м, где R - коэффициент регрессии между фенотипами прямых родственников – для качественных признаков. Для оценки степени наследования устойчивости животных к болезням можно использовать коэффициенты наследуемости, определяемые как для количественных признаков.

Д.В.Карликов разработал полигенную модель наследования устойчивости к лейкозу и производил расчеты коэффициента наследуемости по этому признаку по формуле h2=br, где r – коэффициент родства больных животных с их родственниками; b - регрессия, определяемая по отношению b=(R-G): (A-G), где G – средняя подверженность популяции к лейкозу, A - средняя подверженность больных животных в популяции; R - средняя подверженность родственников больных животных.

Методы изучения популяций

1. Метод генетического анализа, при котором изучают фенотипические качества родителей и потомства, при этом выясняют характер наследования отдельных признаков в группах потомков;

2. Метод цитогенетического анализа кариотипа у особей популяции (выявление хромосомных аномалий, влияющих на прогресс популяции). Этот метод важен при оценке производителей для предотвращения распространения хромосомных дефектов;

3. Эколого-физиологический метод – позволяет установить влияние факторов среды на состояние популяции и степень реализации генетического потенциала в фенотипическом проявлении признаков, что может быть установлено по физиологическим, интеръерным и экстеръерным признакам.

4. Математический метод (в том числе и биометрия) – позволяет выразить состояние и динамику генетической структуры, определить степень влияния генетических факторов на фенотипическое проявление признака.