Экзамен по биологии

Генетическая структура популяций Каждая популяция обладает собственной генетической структурой. Генетическая структура популяций определяется исходным соотношением аллелей, естественным отбором  и элементарными эволюционными факторами (мутационный процесс и давление мутаций, изоляция, популяционные волны, генетико-автоматические процессы, эффект основателя, миграции и др.). Для описания генетической структуры популяций используются понятия «аллелофонд» и «генофонд». Аллелофонд популяции – это совокупность аллелей в популяции. Если рассматриваются два аллеля одного гена: А и А, то структура аллелофонда описывается уравнением: PA  +  Qa = 1. В этом уравнении символом PA обозначается Относительная частота аллеля А, символом Qa – Относительная частота аллеля А. Популяции, в которых структура аллелофонда остается относительно постоянной в течение длительного времени, называются Стационарными. Если рассматриваются три аллеля одного гена: А1, а2,, а3, то структура аллелофонда описывается уравнением: P а1 + Q а2 + R а3 = 1. В этом уравнении символами P, Q, R обозначаются соответствующие частоты аллелей. Если рассматриваются несколько аллелей нескольких генов (A, B, C), то структура аллелофонда описывается системой уравнений:

P1 a1 + p2 a2 + p3 a3 + ... + pi ai = 1

Q1 b1 + q2 B2  + q3 b3 + ... + qi bi = 1

R1 c1  + r2 c2  +  r3 c3 + ... + ri ci  = 1

.......................................................

В этих уравнениях символами Pi, Qi, Ri обозначены относительные частоты аллелей разных генов. Генофонд. Генофондом называют Совокупность всех генотипов в популяции. При изучении природных популяций часто приходится сталкиваться с полным доминированием: фенотипы гомозигот АА и гетерозигот Аа неразличимы. Кроме того, в природе широко распространено полигенное определение признаков, причем типы взаимодействия неаллельных генов (комплементарность, эпистаз, полимерия) не всегда известны. Поэтому на практике часто изучают не генофонд, а Фенофонд популяций, то есть соотношение фенотипов.

Структура популяции по качественным признакам. Харди и Вайнберг по­казали, что генетические расщепления, которые происходят в каждом поколении у диплоидных организмов, сами по себе не изменяют общего состава генофонда. В идеальной популяции со­блюдаются пять условий: 1) новые мутации в данной популяции не появляются; 2) популяция полностью изолирована, т. е. нет миграции особей — носителей генов в популяцию (иммиграция) и из популяции (эмиграция); 3) популяция бесконечно велика, к ней можно применять законы вероятности, т. е. ког­да в высшей степени маловероятно, что одно случайное событие может изменить частоты аллелей; 4) скрещивания случайны, т. е. происходит чисто случайное образование родительских пар — панмиксия; 5) все аллели равно влияют на жизне­способность гамет. Харди и Вайнберг с по­мощью математического уравнения показали, что пропорции аллелей А и а в Такой идеальной популяции не изменяются от поколения к по­колению. Остаются постоянными частоты трех возможных комбинаций этих ал­лелей — генотипы АА, Аа И Аа. Частоты генов находятся в состоянии равновесия по этим ал­лелям. Это равновесие выражается уравнением: Р2 + 2Pq + Q2 = 1, где Р — частота одного аллеля, Q — другого. Р + Q Всегда составляет единицу, Р2 И Q2 — ча­стоты особей, гомозиготных по соответству­ющему аллелю, 2Pq — частота гетерозигот.

Некото­рые хромосомы во время клеточного деления выглядят конденси­рованными и интенсивно окрашенными. Такие различия были названы гетеропикнозом. Для обозначения районов хромосом, демонстрирующих положительный гетеропик­ноз на всех стадиях митотического цикла был предложен термин «гетерохроматин». Различают эухроматин — основную часть митотических хромосом, которая претерпевает обычный цикл компактизации декомпактизации во время ми­тоза, и гетерохроматин — участки хромосом, постоянно находящиеся в компактном состоя­нии.

У большинства видов эукариот хромосо­мы содержат как эу-, так и гетерохроматино­вые участки, причем последние составляют значительную часть генома. Гетерохроматин располагается в прицентромерных, иногда в прителомерных областях. Обнаружены гетерохроматиновые участки в эухроматиновых плечах хромосом. Они выглядят как вкрапления (интеркаляции) гетерохроматина в эухроматин. Такой гетеро­хроматин называют интеркалярным. Компактизация хроматина. Эухроматин и гетерохроматин различаются по циклам компактизации. Эухр. проходит полный цикл компактизации-декомпактизации от интерфазы до интерфазы, гетеро. сохраняет состояние от­носительной компактности. Дифференциальная окрашиваемость. Разные участки гетерохроматина окраши­ваются разными красителями, некоторые рай­оны — каким-то одним, другие — несколькими. Применяя различные красители и используя хромосомные перестройки, разры­вающие гетерохроматиновые районы, у дрозо­филы удалось охарактеризовать много неболь­ших районов, где сродство к окраскам отлично от соседних участках.

Хромосомные мутации.

Природа хромосомных мутаций - это непосредственное воздействие  на хромосомный материал ряда мутагенных факторов, таких как радиационное излучение, химические соединения, вирусы и другие повреждающие агенты (см. ниже).  При действии этих мутагенов нарушается структура хромосом.

· К хромосомным мутациям (аберрациям хромосом) относятся:

· • частичные моносомии и трисомии, развившиеся в результате: потери -Делеция или удвоения - Дупликация части материала одной хромосомы;

· • сбалансированные изменения хромосомного материала, связанные с нарушением ориентации сегментов в отдельных хромосомах - инверсия;

· • перенос части материала с одной хромосомы на другую – межхромосомная перестройка или Транслокация. Иногда может наблюдаться объединение в транслокацию целых хромосом.

Среди хромосомных делеций выделяют Интерстициальные (внутри хромосомы с вовлечением центромеры) и Терминальные (концевые фрагменты хромосомы без вовлечения центромеры).

Причиной хромосомной мутации может стать сегрегация или накопление сбалансированных транслокаций хромосом в родословных родителей больного пробанда.

Таким образом, в большинстве случаев хромосомные мутации (как и геномные мутации – см. ниже) приводят к генному дисбалансу, и их фенотипический эффект зависит от степени этого дисбаланса.

Если аберрации хромосом сохраняются в ходе митоза и мейоза, то это Стабильные Мутации, а если они элиминируются из организма через апоптоз клетки (программированная гибель клеток), то это Нестабильные мутации.
Геномные мутации.

Природа геномных мутаций заключается в неправильном расхождении и распределении в митозе и мейозе четырех гомологичных хромосом какой-либо одной пары, образовавшихся в ходе репликации.

В результате геномной мутации может возникнуть Анеуплоидия, включая моносомию - утрата одной хромосомы (хромосомный набор: 2n-1), трисомию - избыток на одну хромосому (2n+1) и полисомию - избыток более чем на одну хромосому(2n+2, 2n+3 и т. д.).

Помимо полных моносомий и трисомий (изменение на одну целую хроомосому), выделяют частичные моносомии и трисомии (недостаток или избыток части хромосомы) – они будут рассмотрены в следующем разделе.

Таким образом, геномные мутации приводят к изменениям количества  хромосомного материала. Поэтому их фенотипический эффект зависит от степени несбалансированности хромосомного материала или генного дисбаланса.

Вместе с тем возможны  другие причины.

Например, в результате попадания в дочерние клетки не одной, а сразу двух гомологичных хромосом одного из родителей может возникнуть однородительская изодисомия либо по материнской, либо по отцовской хромосомам.

Возможно развитие полиплоидии, включая триплоидию (3n) в результате одновременного оплодотворения одной яйцеклетки двумя сперматозоидами (диспермия) и тетраплоидию (4n) в результате неразделения цитоплазмы материнской клетки при нормальном распределении гомологичных хромосом в дочерние клетки.

В случае полиплоидии различают аллополиплоидию, в результате  объединения целых неродственных геномов (отцовского и материнского),  и аутополиплоидию,  для которой характерно увеличение числа наборов хромосом только одного генома, например, отцовского.

Геномные мутации могут обусловить развитие специфических, полуспецифических и неспецифических генетических эффектов.

Специфические эффекты связаны с изменениями содержания структурных генов, кодирующих продукцию специфических белков. Так, при трисомии по хромосоме 21 (синдром Дауна) в 1,5 раза повышена активность фермента - супероксиддисмутазы 1 (ген, котролирующий этот фермент находится на хромосоме 21). Данный фермент обусловливает развитие слабоумия.

Полуспецифические эффекты  связаны с изменением содержания генов, контролирующих ключевые этапы клеточного метаболизма (гены рРНК и тРНК, гистоновых и рибосомных белков, сократительных белков и др.).

Неспецифические эффекты зависят от изменений в структуре гетерохроматина, который имеет важное значение для нормального формирования в онтогенезе полигенно наследуемых количественных признаков (длина и масса тела, продолжительность жизни, интеллектуальные способности и др.).

Хромосомные синдромы, обусловленные геномными и хромосомными мутациями не наследуются, так как в 90% случаев являются следствием новых мутаций в гаметах у родителей пробанда.

Исключение составляют транслокационные варианты синдромов, которые являются результатом наличия у родителей сбалансированных перестроек хромосом, не сопровождающихся потерей или избытком хромосомного материала. Коэффициент их наследуемости равен 100%.

Геномные мутации являются наиболее частыми из всех классов мутаций. Например,  частота встречаемости синдром Дауна  достигает 1 случая на 550-650 человек.

Именно частота синдрома Дауна служит показателем общей частоты хромосомных и геномных мутаций в популяции человека. Известно правило, согласно которому среди 100 больных с любыми хромосомными синдромами, 95 больных (95%) будут иметь числовые нарушения хромосом (включая 75% больных с синдромом Дауна) и только 5 больных (5%)  - структурные нарушения хромосом. 

В последние годы были выделены Динамические мутации. В их основе лежит экспансия или увеличение (экспансия)  числа копий коротких повторяющихся последовательностей внутри кластера (пучок) нуклеотидов при передаче наследственной информации от родителей к потомкам.

Выделяют 2 класса экспансии ДНК: первый класс - резкое и стабильное увеличение числа копий определенных повторов (>10) на фоне полного отсутствия сокращения длин их кластеров; второй класс - меньшее число повторов (<4) также при стабильной длине их кластеров.

Природа генных мутаций связана с изменениями последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, при которых сохраняется ее  способность к митозу и мейозу.

Основной причиной генной мутации служит непосредственное повреждающее действие мутагена. Генная мутация может развиться как результат неравного кроссинговера или гораздо реже как ошибка в ходе репликации.

Поскольку в молекуле ДНК всего 4 основания, то генные мутации,  в конечном счете, сводятся к изменению порядка их чередования, замене одного основания на другое, потере или вставке одного или нескольких оснований в молекуле ДНК в пределах одного генного локуса, а также к дупликациям, инверсиям или транслокациям  групп оснований между различными частями одного и того же гена.

Все эти изменения приводят к нарушениям функции гена и, как результат, изменению функции клетки, включая ее злокачественную трансформацию. 

Точковые мутации с заменой оснований делятся на 2 класса: трансцизии (замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин) и трансверсии (замена пурина на пиримидин или пиримидина на пурин). Всего возможны 4 варианта трансцизий и 8 вариантов трансверсий.

Как правило, точковые мутации диаллельны: встречаются в двух вариантах в зависимости от отцовского или материнского происхождения аллеля. Среди точковых мутаций выделены мутации первого и второго типов. 

Первый тип мутаций - это Мутации транскрипции. Среди них: 
• мутации в области промотора;
• мутации сплайсинга мРНК, в том числе мутации в 5,-донорском и 3,-акцепторном сайтах интронов, а также мутации, приводящие к развитию новых сайтов сплайсинга из-за неправильного вырезания интрона или экзона; 
•мутации полиаденилирования;
• мутации КЭП-сайта;
• мутации (делеции) Энхансеров. 

Второй тип мутаций - это мутации трансляции.
Среди них: 

• мутации кодона инициации транскрипции (AUG) или вблизи него; 

• мутации сдвига рамки считывания вследствие  делеции или инсерции участка молекулы ДНК, размеры которого не кратны трем нуклеотидам, что приводит к нарушению нормального отсчета кодирующих триплетов; 

• миссенс-мутации или изменение смысла кодона, приводящее к замена в молекуле белка одного аминокислотного остатка на другой;

• нонсенс-мутации (стоп-мутации) - замена нуклеотида, приводящая к замене информационно значимого кодона на стоп-кодон и, следовательно, преждевременной остановке бисинтеза белка или образованию укороченного белка; 

• нулевая мутация (приводит к отсутствию биосинтеза функционально значимого генного продукта); 

• регуляторная мутация (затрагивает регуляторные последовательности гена и нарушает его экспрессию); 

• мутация в терминирующих кодонах (ТАА, TAG, GTA) - приводит к синтезу длинных белков; 

• молчащая (нейтральная) мутация - не сопровождается изменением признака и фенотипа. 

Точковая мутация в результате Делеции - это потеря одной или более нуклеотидных позиций в последовательности ДНК, а Инсерции - это вставка новых нуклеотидов в последовательность ДНК.

При этом и делеции, и инсерции могут быть обусловлены множеством разных причин. Одна из них – это упомянутый выше неравный кроссинговер в процессе мейоза.

Более сложным механизмом является Проскальзывание при репликации. Ошибка происходит, если в последовательности нуклеотидов содержится много коротких повторов. 

Как сказано выше, выделяют прямую мутацию и обратную мутацию (реверсию). Первая нарушает структуру гена, а вторая ее восстанавливает.

Следует отметить, что возврат к исходному фенотипу (восстановление функции мутантного гена до нормальной) нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого неаллельного ему гена.

В этом случае возвратную мутацию называют Супрессорной мутацией.

Мутации, изменяющие последовательность аминокислот в белке отвечают за проявление 50-60% всех случаев моногенных болезней, а остальные мутации (40-50% заболеваний) приходятся на долю мутаций, затрагивающих экспрессию генов.

Изменение аминокислотного состава белка проявляется патологическим фенотипом, т. е. на качественном уровне, например, в случаях метгемоглобинемии или серповидно-клеточной анемии, обусловленных мутациями гена бета-глобина.

Мутации, затрагивающие нормальную экспрессию гена, приводят к изменению количества белкового продукта и проявляются патологическими фенотипами, связанными с недостаточностью того или иного белка, например, в случаях гемолитической анемии, обусловленной мутациями генов, расположенных на аутосомах (9q34.3 – дефицит аденилаткиназы; 12p13.1 – дефицит триозофосфатизомеразы; 21q22.2 – дефицит фосфофруктокиназы).   

Все перечисленные типы точковых мутаций можно выявить у больных с наследственными нервно-мышечными заболеваниями. Например, протяженные делеции, охватывающие весь ген или значительную его область, обнаружены при Х-сцепленной рецессивной миодистрофии Дюшенна-Бекера и аутосомно-рецессивных спинальных мышечных атрофиях. 

Ферментопатии. Наследственные дефекты найдены для 140— 150 ферментов. Большинство дефектов касается ферментов, которые осу­ществляют катаболизм различных биологических субстратов: аминокислот, сахаров. Есть мутации, свя­занные с ферментами репарации ДНК, ферментами энергети­ческого обмена — цикла трикарбоновых кислот, системы цитохромов. Для наследственных энзимопатий характерно не­сколько общих особенностей: 1. Мутации соответствующих генов влияют на структурно-функциональное состояние фермента различными путями. 2. Мутация может затрагивать биосинтез фермента как та­ковой, приводя к снижению его интенсивности. 3. Часто мутации касаются активности фермента, не отра­жаясь на абсолютном его содержании. 4. У гетерозиготных носителей мутантного гена присутствие нормального аллеля обеспечивает сохранение половины активности фермента по сравнению с ее нормальным уровнем. Поэтому наследственные дефекты ферментов клинически про­являются у гомозигот, патологические состояния наследуются по аутосомно-рецессивному или сцепленному с Х-хромосомой рецессивному типу.

5. Большинство ферментов существует в виде двух или бо­лее изоферментов.

Наследственные нарушения обмена аминокислот у человека.

Они встречаются редко (1:20000—1:100 000 новорожденных). По типу насле­дования они относятся к аутосомно-рецессивным. Патогенез обусловлен недостаточностью фермен­та, осуществляющего катаболизм или анаболизм аминокислот. Метаболический сдвиг связан с накоплением в крови и выделением с мочой избыточного количества аминокислоты, не расщепляемой измененным ферментом. Признаком аминоацидопатий слу­жат ацидоз тканей и аминоацидурия. Существуют четырех энзимопатии, которые связа­ны друг с другом общим путем метаболизма аминокислот: фенилкетонурии, тирозинемии, альбинизме и алкаптонурии.

Фенилкетонурия. Дефект связан с недостаточностью фенилаланин-гидроксилазы. Частота болезни 1:10 000. Ребенок с фенилкетонурией рождается здоровым, но в пер­вые недели жизни развиваются повышенная возбудимость, повышенный тонус мышц, тремор, эпилепсия. Позже развивается умственная от­сталость, уменьшенная пигментация кожных покровов, волос, радужной оболочки глаз. Наследуется фенилкетонурия по аутосомно-рецессивному типу. Фенилаланин-гидрокснлаза катализирует превращение фенилаланина в тирозин. Блокада превращения фенилаланина в тирозин приводит к гиперфенилаланинемии. В окислении фенилаланина вместе с фенилаланин-гидроксилазой участвуют дигидроптеридинредуктаза (DHPR) и дигидрофолатредуктаза (DHFR). Эти ферменты необходимы для нормального функционирования двух кофакторов (ВН2 и ВН4). В гидроксилировании фенилаланина участвует кофактор ВН4.

Тирозиноз. Тирозин является незаменимой аминокислотой, поступающей в организм с пищей, а также образующейся из фенилаланина. Тирозин подвергается в организме переходу через п-гидроксифенилпировиноградную кислоту в дигидроксипи-ровиноградную кислоту, а затем в гомогентизиновую кислоту. При блокаде этого пути вследст­вие дефекта тирозинаминотрансферазы или оксидазы п-гидроксипировиноградной кислоты. В результате происходит: а) накопление в крови и выделение с мочой тирозина; б) накопление в крови и выделение с мочой п-гидроксифенилпировиноградной кислоты; в) накопление одного из метаболитов тирозина. В острой форме заболевание характеризу­ется задержкой развития младенца.

Альбинизм. Блокада активности фермента тирозиназы, катализирующей синтез меланина из тирозина через дигидроксифенилаланин. Основными проявлениями ее слу­жат отсутствие меланина в клетках кожи, волос и радужной оболочки глаза. Частота в популяции — от 1:5000 до 1:25 000. Различают около шести форм альбинизма.

Алкаптонурия встречается редко (3—5 : : 1000000). Ее клинические проявления начинаются в возрасте 40 лет и более и характеризуются патологией суставов конечностей и позво­ночника. Алкаптону­рия вызывается генетическим дефектом оксидазы, катализиру­ющей превращение гомогентизиновой кислоты в малеилацетоуксусную.

Лейциноз. Это бло­када окислительного декарбоксилирования трех кетокислот, в которые превращаются аминокислоты лейцин, изолейцин и валин. Все три мутантных фермента являются мультимерами с одной общей полипептидной цепью, кодируемой одним геном.

Различают несколько форм этой болезни: классическую, промежуточную, мягкую, тиаминзависимую. Ос­новные симптомы связаны с поражением нервной системы, моча имеет запах «кленового сиропа». Окислительное декарбоксилирование осуществлявляет комплекс из трех разных ферментов (декарбоксилазы, трансацилазы и флавинового фермента), поэтому гетерогенность свя­зана и с полилокусностью.

Наследственные нарушения углеводного обмена у человека. Одни из дефектов обмена обусловлены мутациями генов, контролирующих ферменты, которые расщепляют сахара, поступающие с пищей (галактоземия, фруктозурия, неперено­симость дисахаридов). В других случаях это дефекты фермен­тов, расщепляющих молекулы полисахаридов, которые образу­ются в организме. Гликогенозы — болезни накопления гликогена, развивающиеся вследствие неполноценности не­скольких ферментов, осуществляющих использование гликогена в организме. Мукополисахаридозы развиваются вследствие недостаточ­ности ферментов, осуществляющих расщепление содержащих амины углеводов. Галактоземия. Путь обмена моносахаридов в организме - превращение D-галактозы, которая посту­пает в организм с пищей в D-глюкозу. При синтезе уридиндифосфогалактозы, может пре­рываться из-за недостаточности фермента галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазы. При этом идет накопление га­лактозы и галактозо-1-фосфата в тканях и в крови, идет нарушение использования глюкозы в пече­ни, почках и головном мозге. Галактоземия встречается среди новорожденных с часто­той 1 на 35—150 тыс. рождений. Если с помощью диеты, в которой исключается молочный сахара, ребенок поправляется, в даль­нейшем появляется второй метаболический путь превращения галактозы в глюкозу — при участии фермента гексозо-1-фосфатуридилтрансферазы. Мукополисахаридозы. Это группа наследственных дефектов катаболизма гликозаминогликанов (ГАГ). Муколипидозы (МЛ) и множественный сульфатидоз (МС) обусловлены не­достаточностью ферментов катабо­лизма. При мутации генов лизосомных гидролаз нарушается расщепление ГАГ. Раз­личают 9 разных типов ГАГ по их первичной структуре, основ­ными из которых являются дерматансульфат (ДС), гепаран-сульфат (ГС), хондроитинсульфат (ХС) и кератансульфат (КС).

Наследственные нарушения липидного обмена у человека.

Наследственные дефекты обмена липидов и липопротеидов делят на две группы. Первую из них составляют липидозы это болезни нарушенного катаболизма структурных липидов, отклонение содержания сфинголипидов в клетках тканей и орга­нов. Вторую группу составляют нарушения обмена липопротеидов, в большом количестве содержащихся в крови.

Сфинголипидозы. Болезни накопления сфинголипидов характеризуются умственными и двига­тельными расстройствами вследствие изменений головного мозга, поражениями костей, печень, селезенка, почки. Эти болез­ни встречаются 1: 300 000 рождений. Все сфинголипидозы имеют рецессивный тип наследования аутосомный или сцепленный с Х-хромосомой. При болезнь Фарбера нарушается расщепление церамида на два его компонента вследствие недостаточной активности лактозилцерамидазы. При болезни Ниманна — Пи­ка недостаточна активность фермента, отщепляющего в мо­лекуле сфннгомиелина фосфохолин; при болезни Гоше накап­ливается глюкоцереброзид: нарушается отщепление глюкозы. При бо­лезни Ниманна — Пика сфингомиелин накапливается в клетках печени и головного мозга. Нарушения обмена липидов плазмы крови. Липиды плазмы крови представляют собой группу соединений, в ос­новном жирных кислот, триглицеридов и холестерина. Их подразделяют на четыре класса — хиломикроны (ХМ), липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП), липопротеиды низкой плот­ности (ЛПНП) и липопротеиды высокой плотности (ЛПВП). Значение гиперлипопротеидемий и их форм определяется тем, что с метаболизмом этих соединений тесно связан патогенез атеросклероза, ишемической болезни сердца. Часто­та гетерозигот по этому гену в популяции — 1 : 500. Мо­ногенные гиперлипопротеидемий встречаются у больных атеросклерозом.

Дигибридное скрещивание, Т. е скрещивание родительских форм, различающих­ся по двум парам признаков. Исходными формами для скрещивания взяты горох с желтыми и гладкими семенами, с другой — горох с зеле­ными и морщинистыми. При таком скрещивании мы имеем дело с разными парами аллельных генов. Одна такая пара включает гены окраски семян; вторая — гены формы семян. Если для скрещивания взяты гомозиготные формы, то все по­томство в первом поколении гибридов будет обладать желтыми гладкими семенами — проявится правило единообразия. В первой паре генов доминантной окажется желтая окрас­ка, рецессивной — зеленая. Во второй паре генов гладкая форма семян доминирует над морщи­нистой. При скрещивании между собой гибри­дов первого поколения в их потомстве произойдет расщепление. По фенотипу получатся четыре группы особей в различных числен­ных отношениях: на 9 особей с желтыми гладкими семенами будут приходиться 3 с желтыми морщинистыми, 3 с зелеными гладкими и 1 с зелеными морщинистыми. В кратком виде это расщепление можно представить формулой: 9:3:3:1. Количественные отношения между числом раз­личных фенотипов и генотипов в F2 При дигибридном скрещивании справедливы для аллелей с полным доминированием. При проме­жуточном характере наследования число фенотипически различ­ных форм будет больше. Если по обоим признакам доминирование неполное, то количество фенотипически различных групп равняет­ся числу генотипически различных групп. Второй закон Менделя. Его называют законом независимого расщепления: расщепление по каждой паре признаков идет независимо от других пар признаков.

Три - и полигибридное скрещивание. Мендель проверял закон независимого комбинирования на различных комбинациях пар признаков. Он подтвердил также этот закон, поставив опыт по скрещиванию растений, отличавшихся сразу по трем призна­кам. Такое скрещивание называется Тригибридным. Например, скрещивание между двумя растениями гороха с разными признаками (желтый, гладкий, морщинистый, цветы пурпурные). Гибриды F1 будут тройными гетерозиготами или тригибридами. Вследствие доминантности семена у таких растений будут гладкими и желтыми, а цветы-пурпурными. Если все гены передаются независимо, то в тригибридном растении образуется восемь типов гамет, причем все с равной вероятностью. В общем случае каждый новый ген увеличивает число типов различных гамет вдвое, а число генетических классов втрое. Особь, гетерозиготная по П Парам генов, может произвести 2n типов гамет и 3n различных генотипов. Число внешне различающихся классов равно числу различных типов гамет при наличии доминирования и числу различных генотипов в отсутствие доминирования.

Hfr-штамы E. Coli. Из F +-культуры можно выделить штаммы, при скрещивании которых с F - - клетками рекомбинанты образуются гораздо чаще (частота рекомбинации > 10-2). Эти штаммы обозначаются символом Hfr. В них F-фактор в сво­бодном состоянии отсутствует, он встроен в бактериаль­ную хромосому. Когда клетки Hfr вступают в контакт с клетками F-, между ними образуется коньюгационный мостик, и интегрированный F-фактор инициирует ре­пликацию бактериальной хромосомы по типу катящегося кольца с того сайта, в который он встроен. Эта репликация приводит к переносу бак­териальной хромосомы в F - - клетку. При конъюгации клеток Hfr и F - часто происходит разрушение мостика, и происходит обрыв хромосомы Hfr. В результате в F--клетку целая Hfr-хромосома попадает довольно редко.

F’-штамы. F-фактор, интегрированный в геном клеток Hfr штамма, иногда может спонтанно «вырезаться» из хромосомы. Клетка при этом из Hfr превра­щается в F +. Неточное вырезание может привести к тому, что ставший автономным F-фактор захватывает смежный участок бактериальной хромосомы или теряет некоторый участок собственной ДНК. Кольцевой F-фактор, включающий в себя бактериальные гены, представляет собой самостоятельный репликон, называемый F'-элемента. F'-элементы обычно переносятся в F--клетки. При передаче F'-элемента F- -клеткам возникает так называемая Частичная диплоидность. Такая частичная диплоидность позволяет осу­ществлять комплементационный анализ различных мутантов и выяв­лять доминантность или рецессивность различных аллелей опреде­ленных генов. В частично диплоидной клетке рекомбинация может происходить между генами бактерии, входящими в состав F'-элемента, и генами го­мологичного участка бактериальной хромосомы. Единичный кроссинговер приводит к включению F'-элемента в бактериальную хромосому и образованию клетки типа Hfr с дупликацией генов, содержащихся в F'-элементе. Двойной кроссинговер приводит к образованию клетки F'-типа, в которой произошел обмен маркерами между бактериальной хромосомой и F'-элемектом.

Различают два класса подвижных элементов: транспозоны и рет­ротранспозоны. Та­кая классификация основана на механиз­мах, с помощью которых перемещаются подвижные элементы. Транспозоны перемещаются с участием комплекса белков, обеспечиваю­щего активность фермента транспозазы, которая узнает элемент и обеспечивает его перенос на новое место. Транспозоны ограничены с двух сторон ин­вертированными по­вторами, то есть последовательностями, направленными навстречу друг другу. Инвертированные повторы сближаются и точно отрезаются от соседних участков ДНК хозяина. Вырезанный транспозон внедряется в район вносимого транспозазой разрыва в молекуле-мишени и сшивается с ДНК хо­зяина в новом месте. Подвижность элементов становится возможной благодаря активно­сти ферментов, кото­рые способны точно вырезать элемент из хромосомы для того, чтобы затем вставить его в другое место генома. Брешь в ДНК, оставляемая после вырезания транспозона, может зале­чиваться с участием гомологичного участка, например сестринской молекулы ДНК. Рет­ротранспозоны не умеют вырезаться из хромосомы, как это делают транспозоны. Механизм их перемещения осно­ван на реакции обратной транскрипции - синтеза нити ДНК на РНК. Химическая реакция протекает так же, как при об­разо­вании нити комплементарной ДНК на ДНК-матрице при репликации двух­нитевой молекулы ДНК. Обратная транскрипция была обнаружена при изуче­нии ретровирусов, содержащих РНК. Фермент, осуществляющий реак­цию синтеза ДНК на РНК, называют об­ратной транскриптазой или ревертазой. Ревертаза ведет синтез нити ДНК на РНК и осуществляет синтез второй ком­плементарной нити ДНК, а РНК-матрица распадается и удаляется. Двухнитевая ДНК синтезируется в цитоплазме, а затем перемещается в ядро и может встро­иться в геном, образуя провирус. Находясь в хромосоме, провирус наследуется в ряду поколений как обычный ген. Провирус ограничен длинными конце­выми повторами (ДКП). Они необходимы для транскрипции провируса и его репликации (воспроизведения). Левый повтор со­держит промотор, с которым взаимодействует РНК-полиме­раза, начинающая синтез. Синтезиро­ванная молекула РНК транслируется с образованием белков-ферментов, необходимых для синтеза ДНК провируса и его внедрения в ге­ном. Для встраивания (интеграции) ДНК провируса необходим фермент интеграза, раз­резающий ДНК-мишень. Может слу­читься, что в процессе обратной транскрипции и реп­ликации ДНК в состав будущего провируса случайно попадет материал других клеточных генов. Ревертаза работает неточно. Если такая ошибочно скопи­рованная последовательность попа­дет в состав провируса и в геном клетки, то это событие может привести к злокачественному перерождению клетки. Поэтому ретро­вирусы, несущие протоонкогены, опасны для клетки и организма. Ретротранспозоны распро­странены у эукариот, населяя геномы дрожжей, растений, насекомых, позво­ночных и человека. Процесс синтеза ДНК при размноже­нии ретротранспозона с участием ревертазы происходит в вирусоподобных частицах. Но частицы неинфекционны, т. к. большая часть ретротранспозонов не содержит гена, кото­рый кодирует белок оболочки вирусной частицы, обеспечивающей ее выход из клетки и способность к заражению других клеток. Ретротранспозоны пред­ставляют собой внутригеномные, неинфекционные эле­менты, способные к самовоспроизведению и "подзаражению" того же генома. Другой класс ретротранспозонов не несет длинных концевых по­второв. Механизм внедрения осуществляется с помощью об­ратной транскрипции. К числу таких рет­ротранспозонов относятся представители семейства L1, насе­ляющие геном человека.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД, система "записи" наследств. информации в виде последовательности Нуклеотидов в Молекулах нуклеиновых к-т. Реализация Г. к. в Клетке происходит в два этапа: 1) синтез Молекулы матричной, или информационной, РНК (соотв. МРНК, или иРНК) на соответствующем участке ДНК; при этом последовательность Нуклеотидов ДНК "переписывается" в Нуклеотидную последовательность МРНК ; 2)синтез Белка, при к-ром последовательность Нуклеотидов МРНК переводится в соответствующую последовательность Аминокислот.

Впервые идея о существовании Г. к. сформулирована А. Дауном и Г. Гамовым в 1952-54, к-рые показали, что последовательность Нуклеотидов, однозначно определяющая синтез той или иной Аминокислоты, должна содержать не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех Нуклеотидов, названных Кодоном, или Триплетом. Т. к. Молекулы нуклеиновых к-т, на к-рых происходит синтез МРНК или Белка, состоят из остатков только четырех разных Нуклеотидов, Кодонов, отличающихся между собой, м. б. всего 64.

Все синтезируемые в процессе Трансляции Белки построены из остатков 20 Аминокислот (т. наз. кодируемых). Какой именно Кодон ответствен за включение той или иной Аминокислоты, можно определить по таблице, в к-рой буквы А, Г, У, Ц обозначают основания, входящие в ну-клеотиды (соотв. Аденин, Гуанин, Урацил, цитозин): в вертикальном ряду слева-в первый Нуклеотид Кодона, в горизонтальном ряду сверху-во второй, в вертикальном ряду справа-в третий. Трехбуквенные сочетания, напр. Фен, Сер, лей,-сокращенные назв. Аминокислот. Прочерки в таблице означают, что три кодона-УАА, УАГ и УГА в нормальных условиях не кодируют к.-л. Аминокислоты. Такие Кодоны наз. "бессмысленными", или нонсенс-кодонами. Они являются "сигналами" остановки синтеза полипептидной цепи.

Г. к. специфичен: это означает, что каждый Кодон кодирует только одну Аминокислоту. Лишь два Кодона, кодирующие Валин (ГУГ) и Метионин (АУГ), способны выполнять дополнит. ф-ции. Если они находятся в начале считываемой области МРНК, к ним присоединяется Транспортная РНК (тРНК), несущая формилметионин, к-рый всегда находится в начале строящейся полипептидной цепи, а по завершении синтеза отщепляется целиком или отщепляет формильный остаток, превращаясь в остаток Метионина. Т. обр., Кодоны ГУГ и АУГ-инициаторы синтеза полипептидной цепи. Если же они не стоят первыми, то не отличаются по ф-циям от др. Кодонов.

Г. к. называют вырожденным, поскольку 61 Кодон кодирует всего 20 Аминокислот. Поэтому почти каждой Аминокислоте соответствует более чем один Кодон. Вырожденность Г. к. неравномерна: для Аргинина, Серина и Лейцина она шестикратна (т. е. для каждой из этих Аминокислот имеется по шесть кодонов), тогда как для мн. др. Аминокислот (тирозина, Гистидина, Фенилаланина и др.) лишь двукратна. Две Аминокислоты (метионин и триптофан) представлены единств. Кодонами. Кодоны-синонимы почти всегда отличаются друг от друга по последнему из трех Нуклеотидов, тогда как первые два совпадают. Т. обр., код Аминокислоты определяется в осн. первыми двумя "буквами". Вырожденность Г. к. имеет важное значение для повышения устойчивости генетич. информации.

Г. к.: он неперекрывающийся. Кодоны транслируются всегда целиком; для кодирования невозможно использование элементов одного из них в сочетании с элементами соседнего. "Рамкой", ограничивающей транслируемый Кодон и перемещающейся скачком сразу на три Нуклеотида, служит Антикодон тРНК, к-рый представляет собой Триплет Нуклеотидов, комплементарный одному из Кодонов и обусловливающий Специфичность к нему. Т. обр., наблюдается линейное соответствие между последовательностью кодирующих Триплетов и расположением остатков Аминокислот в синтезируемом Полипептиде, т. е. код имеет линейный непрерывающийся порядок считывания. Важнейшее св-во Г. к.-его однонаправленность. Кодоны информативны только в том случае, если они считываются в одном направлении-от первого Нуклеотида к последующим. Г. к. универсален для всех живых существ. Возможны только небольшие видовые изменения, возникшие, вероятно, при Эволюции и дифференцировке Клеток. Большинство из них связано с вырожденностью кода и проявляется в преимуществ. использовании разных Кодонов одной и той же Аминокислоты и в различиях в структуре соответствующих тРНК в разных Организмах или в разных Тканях одного Организма.

Контекстный генетический код.

Взаимодействие АРСазы (аминоацил-тРНК-синтета­за) с антикодоном тРНК не является обязательным условием аминоацилирования. Для аланиновой АРСазы основным элементом узнавания служит пара G-U. При замене этой пары на G-C, A-U и U-G аланиновая тРНК теряет спо­собность аминоацилироваться аланином. Если в другой тРНК заменить третью пару на G-U, то эта тРНК приобретает сродство к аланино­вой АРСазе и способность присоединять аланин. Для распознавания своей тРНК аланиновой АРСазе достаточно небольшого участка аминоакцепторного стебля. Концепция второго генетического кода, или рабочего кода аминоацили­рования, заключается в том, что каждой аминокислоте ставится в соответствие сочетание нескольких нуклеотидов в акцепторном участке тРНК, обеспечивающее аминоацили­рование этой тРНК только данной аминокислотой.