Цитогенетические основы дифференцировки

В ходе индивидуального развития многоклеточных организмов возникает гетерогенность клеток и тканей, что и является процессом дифференциации. Различают две формы этого процесса: 1) возникновение различий в ряду клеточных поколений между отдельными клетками или группами клеток; 2) появление различий во время жизни одной клетки. В первом случае дифференцировка охватывает большое количество клеток, которые затем расчленяются на отдельные зачатки, или клеточные популяции. Во втором случае дифференцировка происходит в период онтогенеза отдельной клетки (например, превращение первичной половой клетки в ооцит, дифференцировка эпителиальных клеток кишечника, образование эритроцитов и т. д.).

Гены: Регуляторные и Структурные →Конститутивные и Индуцибельные

Индуцибельные гены контролирующие ход онтогенеза (переключатели или диспетчеры) и гены прямо определяющие структуруи Fи компонентов кл. и организма(формообразующие, гомеогены) Выключение нормально включ. ИГ – репрессия. Включение нормально выключенных – индукция. р: гены лактозного оперона у нек. бактерий – когда нет глюкозы.

Биохимическая дифференцировка предшест­вуе морфологической, но изучение начальных биохимических этапов действия гена у высших организмов – трудная задача. Начиная с 1920-х годов, такие исследования проводятся на расте­ниях и животных. При этом по отклонению от нормы в развитии изучаемых признаков удавалось установить начало действия генов. У домашней мыши, например, была обнаружена серия множественных аллелей в локусе Т. В гомозиготном состоянии ген Т (ТТ) вызывает смерть зародыша на 11-й день. В гетерозиготном состоянии (Tt) особь сохраняет жизнеспособность, но у нее развивается укорочение хвоста (брахиурия). Многочислен­ные рецессивные аллели этого гена вызывают смерть зародышей на различных стадиях развития, появление бесхвостых мышей или мышей с нормальными хвостами. Используя различные ал­лели, можно генетически моделировать продолжительность жиз­ни эмбрионов и особенности развития хвоста

→комбинирование мутантных аллелей при скре­щиваниях позволяет моделировать эмбриогенез, как бы останав­ливая или изменяя развитие, что дает возможность уточнить начало дифференцировки признака.

фенотипическое проявление гена может значительно варьировать по степени выражения признака. → экспрессивность (Тимофеев–Ресов­ский, 1927). Экспрессивность может действовать в узких или ши­роких пределах, т. е. от нормального выражения признака до максимально возможного мутационного эффекта. Например, в потомстве от одной пары мутантных дрозофил с сильно редуци­рованным числом фасеток («безглазая» форма) у одних особей глаза будут лишены фасеток наполовину, а у других — почти пол­ностью.

Любой мутантный признак может обнаружиться у одних и не проявиться у других особей. Эта способность, названная → пенетрантность проявления гена, оценивается по количеству особей в популяции, имеющих мутантный фенотип. При полной пенетрантности (100%) мутантный ген проявляет свое действие у всех особей, имеющих его, а при неполной — лишь у некоторых.

Если экспрессивность — это реакция сходных генотипов на среду, то пенетрантность – показатель гетерогенности линий или популяций не по основному гену, определяющему конкретный признак, а по генам-модификаторам, которые создают генотипическую среду для проявления гена. И экспрессивность, и пене­трантность обусловлены взаимодействием генов в генотипе и ре­акцией последнего на факторы внешней среды. Оба эти явления имеют приспособительное значение и поддерживаются отбором, они хорошо известны и для растений, и для животных.

Фенокопии и морфозы обусловливаются изме­нениями в соматических клетках, а не изменениями генов. Иначе говоря, это результат нарушения действия генов.

15. Ауксотрофные мутанты и их значение в выяснении цепей биосинтеза. Гипотеза «один ген – один фермент».

Прототрофы – растут на минимальной среде.

Джлорж Бидл и Эдуард Тейтем справедливо предположили, что функцию генов можно изучать, повредив некоторые из них. Из работ Мюллера было известно, что при рентгеновском облучении генетического материала частота мутаций возрастает примерно в 100 раз. Поэтому Б. и Тейтем начали выращивать колонии Neurospora(красная хлебная плесень) в среде, содержащей лишь некоторые необходимые для питания этого грибка вещества, и затем облучали их рентгеновскими лучами. После такого облучения одни колонии размножались нормально, другие погибли, а третьи продолжали расти, но не могли нормально размножаться. Б. и Тейтем исследовали эту последнюю группу. Они пересадили грибки из нее в 1000 различных сред и к каждой из них добавили вещество, которое нормально развивающиеся грибки могут синтезировать самостоятельно. В среде №299, к которой был добавлен витамин B6, облученная культура стала расти нормально, что говорило о том, что облучение вызвало мутацию гена, отвечающего за синтез этого витамина. Для того чтобы определить, действительно ли имеет место генетический дефект, Б. и Тейтем скрестили облученные грибки с нарушенным синтезом витамина B6 со здоровыми. Оказалось, что это нарушение передается по описанному Менделем рецессивному типу. Опыты доказали, что определенные гены отвечают за синтез специфических клеточных веществ.

Различные ауксотрофные штаммы, растущие при добавлении к минимальной среде одного и того же вещества, не обязательно содержат мутации в одном и том же гене.

Каждый ген направляет синтез одного фермента. Мутация в одном из генов приводит к образованию нефункционального фермента, прерывая тем самым цепь метаболических превращений. Так, мутация в гене В приведет к возникновению блока на стадии превращения продукта А в продукт В. При этом продукт А будет накапливаться, а продукты В, С и пр. не образуются вовсе. Благодаря накоплению продукта А удается идентифицировать тот этап, на котором возникает блок в данной цепи метаболических превращений.

Цикл мочевины или орнитиновый цикл Мутация в гене org Е блокирует цепь превращений перед стадией биосинтеза орнитина. Этот блок можно обойти, добавив к среде орнитин (из которого клетка сама может синтезировать цитруллин, а затем и аргинин), цитруллин или аргинин. Мутацию в гене argF, блокирующую стадию превращения орнитина в цитруллин, с помощью добавки орнитина подавить не удается. Однако такой мутант способен расти как на аргинине, так и на цитруллине.

N-ацетилорнетин→Орнитин→ цитруллин →аргининосукцинат→ аргинин

При совместном культивировании различных штаммов в результате контакта между гифами может происходить их слияние, приводящее к образованию гетерокарионов-гибридных клеток, в цитоплазме которых одновременно присутствуют ядра из клеток различных штаммов. Если исходные штаммы несут мутации в различных генах, то образующиеся гетерокарионы могут приобрести способность расти на минимальной среде. И наоборот, если мутации аллельны, то при комплементационном тестировании не будет наблюдаться образования гетерокарионов с «диким» фенотипом, растущих на минимальной среде. Так, комплементационное тестирование многочисленных мутантов, нуждающихся в аргинине, позволило установить, что в метаболический путь биосинтеза этой аминокислоты вовлечены семь различных генов.

Гемоглобин α – 16 хромосома β-11, серповидноклеточная анемия - в β цепи вместо остатка глутаминовой кислоты – остаток валина→ гены определяют аминокислотную последовательность белков! → один ген – одна полипептидная цепь!

16. Особенности наследования при моногибридном скрещивании. Гипотеза чистоты гамет и её цитологические основы.

Проводя моногибридное скрещивание (по одной паре альтернативных призкаков), Мендель установил закон единообразия первого поколения. Он гласит: при скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся по одной паре альтернэтивных признаков, первое поколение гибридов единообразно как по фенотипу, так и по генотипу. Этот закон так же называют законом доминирования, т. к. один из признаков проявляется, а другой - подавлен.

М.провел опыт по скрещиванию гибридов первого поколения с растениями гороха исходных родительских сортов. Скрещивание гибридов первого поколения (Аа) с особями, сходными по генотипу с родительскими формами (АА или аа), называется возвратным.

При скрещивании растений Fj (Аа) с формой, гомозиготной по доминантному признаку (АА), все потомство по фенотипу получилось однотипным. В этом случае все гаметы родительской формы несли доминантный ген А, у гибридов же образовались гаметы с генами А и а. В результате в потомстве наблюдалось расщепление по генотипу в отношении 2Аа:2АА, или 1:1, в то время как по фенотипу при полном доминировании все потомки были с доминантным признаком.

При скрещивании гибридов Fi (Аа) с родительской формой с рецессивным признаком (аа) у гибрида образовалось также два сорта гамет с генами А и а, у родительской формы — один сорт гамет с геном а. В потомстве получилось 50 % форм с доминантным признаком (Аа) и 50 % с рецессивным (аа). Наблюдалось расщепление по фенотипу и генотипу 1:1. Мендель обнаружил, что в этом случае потомство как бы повторяет состав гамет гибрида первого поколения. Это происходит потому, что фено­тип потомка зависит от типа гамет родителя с доминантным признаком. Если от него в зиготу к рецессивному гену а попадает ген А, определяющий доминантный признак, то проявляется его влияние и потомство будет с доминантным признаком. Если же к гену а, определяющему рецессивный признак, присоединяется такой же (а), то потомок будет с рецессивным признаком.

На основании опытов по анализирующему скрещиванию и скрещиванию гибридов первого поколения Мендель пришел к выводу о том, что рецессивные наследственные задатки в гетерозиготном организме остаются неизменными и вновь проявляются при встрече с такими же рецессивными наследственными задатками. Позднее на основании этих наблюдений У. Бетсон сформулировал правило чистоты гамет (иногда его называют законом). Сущность правила чистоты гамет состоит в том, что у гетерозиготной особи наследственные задатки не смешиваются друг с другом, а передаются в половые клетки в «чистом» (неизменном) виде.

→ второй закон Менделя или закон расщепления. → при скрещивании гибридов первого поколения между собой, во втором поколении наблюдается расщепление доминантных и рецессивных признаков в соотношении 3:1. Генотипы второго поколения - АА, Аа, Аа, аа, то есть наблюдается соотношение 1:2:1.

Цитологической основой расщепления признаков при моногибридном скрещивании является расхождение гомологичных хромосом к разным полюсам клетки и образование гаплоидных половых клеток в мейозе.

Генотип - совокупность генов организма, взаимодействующих между собой.

Фенотип - совокупность внешних признаков организма.

В опытах Мендель использовал разные способы скрещивания: моногибридное, дигибридное и полигибридное. При последнем скрещивании особи отличаются более чем по двум парам признаков. Во всех случаях соблюдается закон единообразия первого поколения, закон расщепления признаков во втором поколении и закон независимого наследования.

«Гаметы каждого из родителей» несут только по одному из наследуемых факторов». Мендель не связывал наследств.факторы с конкретн.матер.структурами, цитологическое обоснование появл-ся позже: Во время мейоз а у гибрида F₁(Аа) разн.пары хромосом расх-ся в дочерн.клетки независимо =>при случ.оплодотворении – 3 типа зигот (АА, Аа и аа). Др. док-во – тетрадный анализ (у мхов гетерозиг. Аа клетка дает тетраду гаплоидных спор. У половины развившихся из спор организмов генотип – А, у половины – а)скрещивание, в котором родительские формы отличаются по аллелям одного гена. При скрещивании гомозигот по 1 признаку в F₁ – единообразие, в F₂ – расщепление 3:1 по данному признаку. Цитологические основы: 1. Независимое расхождение хромосом в гаметы у представителей F₁ =>по одному типу аллелей в каждой гамете; 2. Равновероятная встреча гамет, несущих доминантный или рецессивный аллель.