Диагностика генетических заболеваний человека. Наследование генетических признаков

Диагностика генетических заболеваний человека. Написано на роду

«Это у нас в семье наследственное», — мы часто говорим так по отношению к самым разным вещам. Под понятие «наследственное» может попадать и цвет волос, и телосложение, и постоянные простуды. Особенно часто мы оправдываемся наследственностью, имея в виду болезни, что далеко не всегда соответствует действительности. Что же собой представляют генетические, или наследственные, заболевания, как их диагностируют и можно ли их предотвратить?

Что такое генетические болезни? Обременительное наследство

Для начала необходимо разобраться в терминах. Начнем с того, что генетические заболевания и заболевания, к которым выявлена наследственная предрасположенность, — разные понятия.

  • Генетические болезни обусловлены нарушениями в строении генома (отсюда другое название — моногенные заболевания). В качестве примера можно привести галактоземию. При этом заболевании плохо работают ферменты, которые превращают молочный сахар в глюкозу. Уже выявлен ген, «отвечающий» за развитие заболевания. Более того, выяснено, что если ребенок получает «дефектный» ген от одного из родителей, то ферментная система работает примерно на 50%, а если от обоих, то всего на 10% [1] .
  • Заболевания, к которым у человека есть наследственная предрасположенность , зависят не только от генетики, но и от факторов внешней среды: того, где мы живем, сколько двигаемся, что едим. Например, у человека может быть склонность к атеросклерозу, но правильный образ жизни и рациональное питание помогают ему оставаться здоровым.

Чтобы понять принцип передачи наследственных заболеваний, надо вспомнить, что такое гены. Условно говоря, это некий набор «карт памяти», на каждой из которых «записаны» определенные данные об организме человека. Если же говорить научным языком, то ген — это фрагмент нашей ДНК. Совокупность генов (а их число доходит до 25 000 [2] ), представляющая собой плотно свернутую нить ДНК, — это хромосома. Всего у человека их 23 пары. Это весь наш генетический багаж, или иначе — геном.

Каждая из 23 хромосом имеет свою пару. Записанная в структуре одной хромосомы информация дублируется на парной. То есть любой признак, будь то цвет глаз или предрасположенность к сердечно-сосудистым заболеваниям, кодируется двумя генами. Они могут быть идентичными, но могут и отличаться (такие гены называют аллелями). Например, один из двух генов, определяющий цвет глаз, может «кодировать» серый оттенок, а второй — карий. Скорее всего, у носителя таких аллелей цвет глаз будет карий, так как ген, несущий эту информацию, является доминантным. Второй же ген (серый цвет глаз) более «слабый» — рецессивный [3] .

Теперь разберемся в механизме наследования. Формируясь, зародыш получает половину хромосом от матери, а половину — от отца. Именно поэтому организм ребенка не копирует ни одного из родителей, а имеет свою индивидуальность. Передача хромосом, генов, а значит, и передача информации о наследственных заболеваниях, возможна по нескольким схемам:

  • аутосомно-доминантный . Если ребенок получает «сильный», доминантный, ген хотя бы от одного из родителей, то этот ген обязательно проявится. Таким образом передается, например, ахондроплазия — заболевание, при котором нарушается рост конечностей, а кости становятся ломкими [4] .
  • аутосомно-рецессивный . Здесь чуть сложнее — признак проявляется только в том случае, если ребенок получил от родителей два «слабых», рецессивных, гена. Вероятность проявления заболевания ниже, чем в первом случае. Таким образом передаются по наследству фенилкетонурия, альбинизм и другие заболевания [5] .
  • кодоминантный . При этом типе наследования проявляются оба гена — и доминантный, и рецессивный. Примером может быть серповидно-клеточная анемия: наличие активных доминантного и рецессивного генов приводит к тому, что в крови обнаруживается и нормальная, и патологическая форма гемоглобина.
  • наследование, сцепленное с полом . Известно, что половые хромосомы у мужчин и женщин различаются: у женщин две Х-хромосомы, а у мужчины — X и Y. К половым хромосомам «привязаны» некоторые важные признаки и информация о заболеваниях. Например, гемофилией, как известно, болеют почти исключительно мужчины [6] : если в Х-хромосоме у мужчин содержится ген, отвечающий за патологию, то Y-хромосома никак его не компенсирует, там этого гена нет [7] . По этому же принципу передаются дальтонизм, мышечная дистрофия Дюшена и т.д.
  • К наиболее распространенным генетическим заболеваниям относятся:

  • дальтонизм — около 850 случаев на 10 000;
  • расщепление позвоночника — 10–20 случаев на 10 000 человек;
  • синдром Клайнфельтера (эндокринные нарушения, которые могут стать причиной мужского бесплодия) — 14–20 на 10 000;
  • синдром Дауна — 9–13 на 10 000;
  • синдром Тернера (болезнь, которая приводит к половому инфантилизму) — около 7 на 10 000;
  • фенилкетонурия (нарушение метаболизма аминокислот) — до 3,8 на 10 000;
  • нейрофиброматоз (заболевание, при котором у больного возникают опухоли) — около 3 на 10 000;
  • муковисцидоз — 1–5 на 10 000;
  • гемофилия — до 1,5 на 10 000 [8] .
  • Направления генетических обследований

    Сегодня врачи выявляют генетические заболевания с высокой точностью, так как передовые технологии позволяют буквально заглянуть внутрь гена, определить, на каком уровне произошло нарушение.

    Есть несколько направлений обследований.

    Диагностическое тестирование

    Диагностическое тестирование проводится, если у пациента есть симптомы или особенности внешнего развития, служащие отличительной чертой генетического заболевания. Перед направлением на диагностическое тестирование проводят всесторонний осмотр пациента. Одна из отличительных черт наследственных заболеваний — это поражение нескольких органов и систем [10] , поэтому при выделении целого ряда отклонений от нормы врач направляет пациента на молекулярно-генетическую диагностику.

    Так как многие наследственные заболевания (например, синдромы Дауна, Эдвардса, Патау) связаны с нарушением количества хромосом (кариотипа), то для их подтверждения проводят кариотипирование, то есть изучение количества хромосом. Для анализа требуются клетки крови, которые в течение нескольких дней выращивают в особой среде, а затем окрашивают. Так врачи выделяют и идентифицируют каждую хромосому, определяют, нарушен ли их количественный состав [11] , отмечают особенности внешнего строения.

    Для выявления мутаций конкретных генов применяется метод ПЦР — полимеразной цепной реакции. Его суть состоит в выделении ДНК и многократном воспроизводстве интересующего исследователя участка. Как отмечают специалисты, преимущество ПЦР — его высокая точность: здесь почти невозможно получить ложноположительный результат. Метод удобен еще и тем, что для исследования может быть взята любая ткань организма [12] .

    Пренатальная и предимплантационная диагностика

    Если вы знаете, что у вас в семье или в семье супруга были случаи наследственных болезней, то, конечно, захотите выяснить, какова вероятность проявления их у ваших детей. Врачи часто предлагают будущим родителям сделать пренатальную диагностику. А если пара использует вспомогательные репродуктивные технологии, то и предимплантационную генетическую диагностику плода (ПГД).

    ПГД нужно сделать, если возраст матери превышает 35 лет, если у пары уже были прерывавшиеся беременности, а также родились дети с наследственными заболеваниями. Также врачи рекомендуют делать ПГД, если родители являются носителями генетического недуга. В этом случае в семье есть случаи проявления патологии, но сами супруги здоровы. А вот вероятность проявления болезни у ребенка может достигать 50%, причем ПГД помогает точно определить этот показатель. Анализ проводится, когда эмбрион, полученный «в пробирке», вырастает до стадии 6 или 8 клеток [13] .

    Пренатальная генетическая диагностика проводится, когда ребенок еще находится в утробе матери. Предположить наличие генетических отклонений врач может на основании анализов крови матери или по результатам УЗИ плода. Поэтому на начальном этапе беременная проходит трехмаркерный скрининг: в ее крови определяют уровень АФП, ?-хорионического гонадотропина и эстриола. Если их концентрация отлична от нормы, то врач рекомендует выполнить генетическое обследование ребенка. Для этого с помощью пункции берут амниотическую жидкость и проводят кариотипирование плода. Единственный недостаток этого метода — долгий период ожидания результатов. Если последний будет негативным, то женщина просто может не успеть принять решение о прерывании беременности. Есть и альтернатива — анализ ворсин хориона. Его можно сделать на раннем сроке, но получение материала представляет угрозу для протекания беременности [14] .

    В последнее время появилась еще одна возможность пренатального обследования плода — неинвазивный пренатальный ДНК-тест (НИПТ-тест). В этом случае нужна только кровь матери. Точность теста достигает 99%, причем можно сделать обследование как на самые часто встречающиеся генетические патологии, так и полное исследование плода [15] .

    Определение носительства

    Рассматривая виды наследования генетических заболеваний, мы упомянули об аутономно-рецессивном способе и о наследовании, сцепленном с полом. Человек может быть здоров, но в его генотипе при этом присутствует патологический ген. Выявить это помогает анализ на носительство. Многие делают его на стадии планирования беременности, чтобы вычислить вероятность рождения ребенка с генетическими заболеваниями.

    Например, такая болезнь, как гемофилия, проявляется только у мужчин, женщины не болеют, но могут быть носителями. Поэтому женщинам, у которых есть родственники с проблемами свертывания крови, перед зачатием рекомендуется сделать скрининг гетерозиготного носительства, чтобы определить вероятность рождения мальчика с гемофилией [16] .

    Предсказательное генотипирование

    И даже если у человека нет никаких признаков наследственных заболеваний, он все равно может пройти генетическую диагностику. Зачем? Дело в том, что только лишь нарушениями в генах определяются далеко не все наследственные заболевания. Ко многим патологиям может быть предрасположенность. Досимптоматическая диагностика, или ДНК-идентификация, выявляет ее [17] . Во многих клиниках это обследование носит название «генетический паспорт», его достаточно сделать один раз, потому что полученные результаты со временем не меняются.

    По итогам ДНК-идентификации врач дает пациенту рекомендации: начиная от образа жизни и диеты и заканчивая профессиональными рисками. Следование им помогает избежать развития многих заболеваний.

    Виды генетических заболеваний человека и ключевые методы их выявления

    В зависимости от того, чем вызвано генетическое заболевание, врач выбирает и методы обследования пациента. Рассмотрим основные группы патологий.

    Хромосомные болезни

    Причиной этих генетических заболеваний служит нарушение в количественном составе хромосом или в их строении. Например, при наличии дополнительной (третьей) 21-й хромосомы формируется синдром Дауна. Причиной синдрома Шершевского-Тернера является наличие всего одной Х-хромосомы у женщин. А если у мужчины половые хромосомы присутствуют в сочетании XXY, а не XY, то ему ставится синдром Клайнфельтера.

    Многие хромосомные нарушения, например, удвоение или утроение, несовместимы с жизнью. Чаще всего зародыши погибают в утробе, а родившиеся дети живут всего несколько дней [18] . В то же время бывают случаи, когда у человека есть разные виды клеток: несущие патологические хромосомы и не имеющие этих нарушений. Это явление носит название «мозаицизм», и тогда патология может проявляться в меньшей степени или практически не проявляться [19] .

    Для диагностики проводят кариотипирование. В качестве примера можно привести синдром Клайнфельтера — редкое генетическое заболевание, которым страдают мужчины. Внешне оно выражается в евнухоподобной внешности, увеличении грудных желез, нарушении половой функции. Подробное изучение состава половых хромосом помогает определить, какое именно нарушение произошло у пациента (лишних Х-хромосом может быть несколько). В зависимости от кариотипа варьируется и степень выраженности признаков заболевания [20] .

    Может быть нарушено и строение хромосом, а не только их количество. В процессе деления клеток, если «что-то пойдет не так», происходит утрата части хромосомы или, напротив, удвоение какого-либо участка. Хромосома может развернуться на 180 градусов (инверсия), или ее концы образуют кольцо. Например, синдром кошачьего крика — это следствие перестройки пятой хромосомы. Дети, родившиеся с такой патологией, специфически кричат (звук напоминает мяуканье кошки). Обычно они погибают в первые годы жизни, так как патология проявляется многочисленными пороками развития внутренних органов [21] .

    Пациентам с хромосомными заболеваниями назначают цитогенетическое обследование. Обычно ему подвергаются и родители, чтобы установить, имеет ли место наследуемая патология или же это единичный случай [22] .

    Генные мутации

    Нарушения могут произойти не в хромосоме, а лишь на одном ее участке. Тогда мы говорим о генной мутации. Эти заболевания называются моногенными, к ним, в частности, относятся многие нарушения метаболизма: муковисцидоз, фенилкетонурия, андрогенитальный синдром и т.д. Многие из этих заболеваний могут быть выявлены при обязательном скрининге всех младенцев в роддоме. Ребенок, у которого есть отклонения от нормы, может быть направлен на дополнительное генетическое обследование. А принятые вовремя меры позволяют в некоторых случаях предотвратить развитие серьезных нарушений.

    В то же время существуют заболевания, вызванные генными мутациями, которые не проявляются ярко и однозначно. В качестве примера можно привести синдром Вольфрама, который дебютирует как сахарный диабет в раннем возрасте, затем проявляется ухудшением зрения или слуха. Врач может подтвердить синдром только по результатам генетической экспертизы.

    Мультифакториальные генетические болезни

    Они выявляются при ДНК-идентификации. Анализ подтверждает наличие или отсутствие предрасположенности практически к любой патологии: от сахарного диабета до формирования различных зависимостей [23] . Так как роль генетических факторов и факторов внешней среды в развитии заболеваний различна не только для каждой патологии, но и для каждого пациента [24] , рекомендации здесь могут быть только строго индивидуальными, сделанными на основании результатов анализов.

    В последнее время нередки появления информации об экспресс-тестах, позволяющих определить нарушения в структуре ДНК непосредственно в день анализа. В частности, ученые из Дании создали «светящийся ДНК-тест», который дает результат в течение шести часов [25] .

    Где можно сдать анализы?

    Наследственные заболевания отличаются большим разнообразием: это могут быть патологии, вызванные мутацией генов, нарушением строения хромосом, сочетанием нескольких факторов, в том числе факторов внешней среды. Именно поэтому генетическое обследование лучше выполнять в лаборатории, которая предоставляет максимально широкий спектр услуг. Желательно, чтобы в лаборатории проводилось и кариотипирование, и ПЦР, и пренатальная диагностика, и анализ на носительство.

    Читайте так же:  ТЕСТИРОВАНИЕ ГРАЖДАН ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН И ЛИЦ БЕЗ ГРАЖДАНСТВА. Адрес сдачи экзамена на патент

    Второй важный момент — наличие в лаборатории современного сертифицированного оборудования. Оно позволяет делать анализ максимально подробным и полным. Популярные экспресс-системы дают результат в тот же день, однако глубокий анализ генотипа им недоступен. Специализированные лаборатории предоставляют результаты через 2–3 дня, однако это более подробное и детализированное исследование, позволяющее точно установить и наличие заболевания, и предрасположенность к тем или иным патологиям.

    Стоимость обследования в специализированной лаборатории во многом зависит от объема: при составлении генетического паспорта цена обследования может достигать 75 000–80 000 рублей [26] .

    Генетика

    О курсе

    Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственной передаче и изменчивости признаков живых организмов. Генетика – интегрирующая биологическая дисциплина, изучающая два фундаментальных свойства живого: наследственность и изменчивость.

    Генетика использует множество методов исследования: морфологический, физиологический, биохимический, цитологический, физико-химический, математический и др., но основным, принципиально отличающимся от других, является метод генетического (гибридологического) анализа. Интегрирующая роль генетики заключается в том, что она исследует универсальные свойства на всех уровнях организации живого: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном и на всех таксономических группах организмов, включая и человека.

    Основоположником научной генетики является Г. Мендель, который в 1865 году опубликовал работу «Опыты над растительными гибридами». Он разработал и обосновал метод гибридологического анализа, принципиальные положения которого используются генетиками до сих пор. Он сформулировал и обосновал идею о существовании дискретных наследственных факторов, ввёл понятие об альтернативных наследственных факторах и признаках (принцип аллелизма). Доказал, что наследственные факторы (гены), объединяясь в зиготе, не смешиваются и не сливаются (позже это явление стало называться законом чистоты гамет).

    Цель данного курса лекций – разъяснить слушателям логику генетических исследований; вскрыть сущность наследственности и изменчивости на разных уровнях организации жизни – молекулярном, клеточном, организменном и популяционном; раскрыть сущность дискретных единиц наследственности — генов; показать практическое значение генетики для сельского хозяйства, медицины, биотехнологии и других областей человеческой деятельности.

    Формат

    Форма обучения заочная (дистанционная).
    Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций, решение генетических задач и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.
    Важным элементом изучения дисциплины является написание творческих работ в формате сочинения-рассуждения по заданным темам, которое должно содержать полные, развёрнутые ответы, подкреплённые примерами из лекций и/или личного опыта, знаний или наблюдений.

    Требования

    Знание математики, физики, химии и биологии в соответствии со стандартами обучения на биологических факультетах университетов.

    Программа курса

    Лекция 1. Менделизм. Опыты Г. Менделя и его последователей
    Гибридологический анализ. Моногибридное скрещивание, доминирование одного из родительских признаков в F1 и расщепление в Е2 (3:1). Анализирующее скрещивание. Наследственный фактор — дискретная единица наследственности — ген. Понятие «аллель гена». Утверждение принципа, что наследуются не признаки, а аллели генов, контролирующие их развитие.

    Лекция 2. Дигибридное скрещивание
    Доминирование в F1 и расщепление в F2 (9А-В-: ЗА-вв: 3ааВ-: 1 аавв).
    Независимое комбинирование и независимое наследование признаков. Цитологические основы явления. Неаллельное взаимодействие генов. Ген и признак. Пенетрантность и экспрессивность признака. Норма реакции генотипа. Формально-генетический подход анализа наследования признаков. Типы взаимодействия неаллельных генов: комплементарное, эпистатическое, полимерия.

    Лекция 3. Хромосомная теория наследственности Т.Г. Моргана
    Наследственные факторы — гены локализованы в хромосомах.
    Гены расположены в хромосоме в линейном порядке и составляют группу сцепления генов. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками (кроссинговер), что приводит к нарушению сцепления генов, т.е. генетической рекомбинации. Величина кроссинговера есть функция расстояния между генами на хромосоме. Генетические карты характеризуют относительные расстояния между генами, выраженные в процентах кроссинговера.

    Лекция 4. Теория гена. Сложное строение гена. Функциональный и рекомбинационный тесты на аллелизм.

    Лекция 5. Генетика пола
    Пол — сложный, генетически контролируемый признак. Генетические) и эпигенетические факторы детерминации пола. Гены, контролирующие детерминацию и дифференцировку пола. Хромосомное определение пола. Основная функция половых хромосом (X,Y и W,Z) — поддержание полового диморфизма и первичного соотношения полов (N>/N+=1). Наследование признаков, сцепленных с полом. Реципрокные скрещивания. Отсутствие единообразия у гибридов F1, и наследование признака по типу «крест-накрест». Первичное и вторичное нерасхождение половых хромосом. Гинандроморфизм.

    Лекция 6. Мутационная и модификационная изменчивость
    Наследственная изменчивость – мутационная и комбинативная – характеризуется изменением генотипа. Модификационная (ненаследственная изменчивость) видоизменяет фенотип организма в пределах нормы реакции генотипа.
    Мутация – дискретное изменение признака, передающееся по наследству в ряду поколений организмов и клеток.
    Классификация мутаций: по структуре генетического материала, по месту локализации, по типу аллельного, по причине возникновения.
    Генетические последствия загрязнения окружающей среды. Мутагенные факторы Мониторинг уровня частоты различных типов мутаций в одних и тех же географических точках. Скрининг мутагенной активности лекарственных препаратов, пищевых добавок, новых промышленных химических соединений.
    Размах проявления модификационной изменчивости организма при неизменном генотипе — норма реакции.

    Лекция 7. Мутационный процесс: спонтанный и индуцированный
    Мутационный процесс характеризуется всеобщностью и причинностью, статистичностью и определённой частотой, протяжённостью во времени.
    Спонтанные мутации возникают в результате ошибок в работе ферментов матричного синтеза ДНК. Генетический контроль мутационного процесса. Гены-мутаторы, гены-антимутаторы. Системы репарации генетических повреждений.
    Закономерности индуцированного мутагенеза (радиационного, химического и биологического). Дозовая зависимость, временной характер, мощность дозы (концентрация), предмутационные изменения генетического материала и др.
    Методы количественного учёта мутаций. Молекулярные механизмы возникновения генных мутаций и хромосомных перестроек.

    «Адаптивный» мутагенез. Проблема наследования приобретаемых признаков.
    Лекция 8. Генетика популяций
    Любую популяцию составляют особи, отличающиеся в той или иной мере по генотипу и фенотипу. Для понимания генетических процессов, протекающих в популяции, необходимо знать: 1) какие закономерности управляют распределением генов между особями; 2) изменяется ли это распределение из поколения в поколение, и если изменяется, то каким образом.
    Согласно формуле Харди-Вайнберга, в идеальной популяции, находящейся в равновесии, доли разных генотипов должны неограниченно долго оставаться постоянными. В реальных популяциях эти доли могут изменяться из поколения в поколение вследствие ряда причин: малочисленность популяции, миграции, отбор мутации. Генофонд популяции, геногеография (А.С. Серебровский), генетическая гетерогенность природных популяций (С.С. Четвериков), генетико-автоматические процессы (Н.П. Дубинин).

    Лекция 9, 10. Генетика развития
    Современная биология развития представляет собой сплав эмбриологии, генетики и молекулярной биологии. Мутации генов, контролирующих разные этапы индивидуального развития, позволяют выявить время и место действия нормального аллеля данного гена и идентифицировать продукт этого гена в виде и — РНК, фермента (полипептида) или структурного белка.
    Генетический контроль детерминации и дифференцировки пола.
    Модельные объекты генетики развития: Drosophila melanogaster — плодовая мушка, Caenorhabditis elegans – круглый червь, нематода, Xenopus laevis — шпорцевая лягушка, Mus musculus — лабораторная мышь, Arabidopsis Thaliana
    Проблемы генетики развития: анализ дифференциальной активности генов, активность.
    Гомеозисные мутации, их роль на ранних этапах онтогенеза. Эпигенетика индивидуального развития и её перспективы. Генетический импринтинг. Роль апоптоза (генетически программированной гибели клеток) и некроза в ходе индивидуального развития многоклеточных организмов. АЛЛОФЕННЫЕ МЫШИ – генетические мозаики. В отличие от животных у растений из соматических клеток сформированного организма можно получить взрослое полноценное растение (морковь, табак, томаты), способное к половому размножению. Из изолированной клетки под действием растительных гормонов можно получить целое растение.
    Проблема репрограммирования генома в дифференцированных клетках животных. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Тотипотентность, плюрипотентность и мультипотентность разных типов клеток. Получение индуцированных плюрипотентных клеток фибропластов человека (iPS) с помощью индукторов репрограммирования транскрипционных факторов Oct4, Sox2, c-Mic, Klf4 и Nanog.
    Клонирование позвоночных животных (овечка Долли, 1997). В настоящее время клонированы десятки видов животных из класса млекопитающих (мышь, корова, кролик, свинья, овца, коза, обезьяна (макака-резус) и др.).

    Лекция 11, 12. Генетика человека.
    Биосоциальная природа человека. Антропогенетика и медицинская генетика. Методы исследования: генеалогический, близнецовый, цитологический, биохимический, молекулярно-генетический, математический и др.
    Менделирующие (моногенные и мультифакториальные) полигенные признаки. Нормальный кариотип человека. Дифференциальное окрашивание хромосом и Fish–метод. Хромосомные аберрации и связанные с ними генетические синдромы.
    Методы картирования генома человека. Гибридизация соматических клеток человека и мыши. Секвенирование генома человека (3,5х109 п.о.). Геномика (структурная, функциональная, фармакогеномика, этногеномика и т.д.).
    Генетический полиморфизм – основа биоразнообразия человека Типы полиморфизма ДНК (по числу и распределению мобильных генетических элементов; по числу копий тандемных повторов и др).
    Медицинская генетика. Развитие медико-генетического консультирования. Пренатальная диагностика (кариотипирование, ДНК-маркеры, биохимические и иммунологические маркеры, прогноз для потомства). Демографическая генетика.
    Евгеника, генотерапия, генетическая паспортизация (проблемы и спорные вопросы).

    Лекция 13. Генетические основы селекции
    Селекция растений и животных. Исходный материал (дикие формы, районированные сорта растений и заводские породы животных, инбредные линии).
    Гибридизация (методы скрещивания): межвидовое, межпородное, внутрипородное (аутбридинги инбридинг), промышленное скрещивание.
    Методы отбора (массовый – индивидуальный, по фенотипу- по генотипу, по родословной – по качеству потомства). Гибридная кукуруза (простые и двойные межлинейные гибриды). Межлинейные яичные и мясные гибриды кур.
    Явления гетерозиса и инцухт — депрессии.
    Межродовой фертильный гибрид редьки и капусты (рафанобрассика).
    Биотехнология и использование трансгенных организмов.

    Результаты обучения

    В результате освоения курса слушатель:
    1) получает представление о базовых понятиях генетики (ген, генотип, фенотип, мутация, репликация, рекомбинация, репарация, геном, геномика) достижениях в этой области знаний и практическом применении этих знаний в практике сельского хозяйства, медицины, биотехнологии;
    2) овладевает методами генетического анализа на прокариотических и эукариотических организмах, методами цитологического, физико-химического и биоинформатического анализа генетических феноменов и процессов;
    3) понимает интегрирующую роль генетики в познании ключевых звеньев и этапов фундаментальных биологических процессов (фотосинтез, синтез пептидов, онтогенез, онкогенез и др.).

    Наследование генетических признаков

    Современное изучение наследственного предрасположения к психическим заболеваниям, а также роли средовых факторов в проявлении психической патологии основано на комплексном применении различных методов медицинской генетики. В генетике психических болезней традиционно выделяют следующие методы: популяционный, генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, молекулярно-генетический и моделирование. Естественно, при использовании перечисленных методов предполагается их дифференциация по объектам исследования (популяции, семьи, близнецы, хромосомы, клетки, ДНК и др.) и методикам исследования (эпидемиологические, математические, клинические и клинико-лабораторные, биохимические, молекулярные и др.). Учитывается также возможность использования различных методик в процессе обследования пациентов, членов их семей, контрольных выборок.

    Прежде чем перейти к изложению методов, используемых при изучении генетики психических заболеваний, необходимо остановиться на основных генетических понятиях. Эти понятия необходимо знать врачу не только для понимания излагаемого в руководстве материала, но и для чтения современной литературы по психиатрической генетике.

    Наследственность определяется генами, локализованными в специальных структурах клетки — хромосомах, и закономерностями удвоения, объединения и распределения хромосом поровну между дочерними клетками при делении клетки. Основным материальным носителем генетической информации у человека являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), находящиеся в 46 хромосомах. Молекулы ДНК представляют собой линейные полимеры, состоящие из нуклеотидов, образованных пуриновыми (аденин, гуанин) и пиримидиновыми (тимин, цитозин) азотистыми основаниями, пятиуглеродным сахаром дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты. ДНК состоит из 2 полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали. Основания обращены внутрь спирали и расположены всегда определенным образом: аденин противостоит тимину, а гуанин — цитозину (комплементарность). Двойная спираль ДНК и комплементарность ее цепей являются основой репликации генетического материала. Репликация представляет собой процесс, когда двойная спираль раскручивается и на каждой из цепей строится комплементарная дочерняя цепь. Каждая хромосома представляет собой двойную нить ДНК, которая функционально представляет собой совокупность отдельных генов в виде последовательных отрезков ДНК. Каждый ген несет информацию о первичной структуре полипептидной цепи. Имеются также повторяющиеся нуклеотидные последовательности, выполняющие регуляторные функции.

    Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи записана в ДНК в виде трехбуквенного кода. Каждой аминокислоте соответствует определенный по составу триплет из 3 соседних нуклеотидов. Для того чтобы осуществлять синтез полипептида, генетическая информация ДНК хромосом переписывается на комплементарную ей нить информационной (матричной) рибонуклеиновой кислоты (мРНК). Этот процесс называется транскрипцией. Затем информация с мРНК, представленная последовательностью нуклеотидов, переводится (транслируется) в последовательность аминокислот. В пределах одного гена ДНК подразделяется на функционально различные участки: экзоны — транслируемые нуклеотидные последовательности, и интроны — нетранслируемые последовательности. После транскрипции интроны вырезаются, а экзоны соединяются и эта мРНК участвует в синтезе белка. Таким образом, определяющим в наследственности являются точность воспроизведения молекул нуклеиновой кислоты при репликации, транскрипции и высокая точность трансляции в синтезе белка.

    ДНК находится в клетке в виде ядерного хроматина — сложного комплекса, образованного гистонами, негистоновыми белками и РНК. Гистоны служат основой для образования элементарной хроматиновой частицы — нуклеосомы. Каждая нуклеосома образована 2 гистоновыми белками, ассоциированными примерно с 200 парами нуклеотидов ДНК. Перед клеточным делением нуклеосомные нити спирализуются, что уменьшает длину молекулы ДНК примерно в 40 раз. Последующее укорочение хроматиновой нити происходит вследствие образования петель и их складывания.

    Из 46 хромосом человека 23 хромосомы получены из яйцеклетки матери, а 23 — из сперматозоида отца. 22 пары хромосом (т.е. 44 хромосомы) одинаковы у мужчин и женщин — это аутосомные хромосомы. Различие между мужчиной и женщиной обусловлено тем, что у мужчин имеются 2 непарные хромосомы, меньшая из них Y -хромосома имеется только у мужчин, другая Х-хромосома имеется у мужчин в единственном числе ( XY ), а у женщин они образуют пару ( XX ). Эти два типа хромосом называются половыми хромосомами. По расположению генов на хромосомах различают гены аутосомные, которые находятся в одинаковых хромосомах у мужчин и женщин, и гены, сцепленные с полом, которые находятся в Х-хромосоме.

    Наследственность реализуется в процессе передачи (наследование) генетической информации, контролирующей развитие признаков индивида. Признак — это условное обозначение поведенческих, физиологических, морфологических, биохимических и иных особенностей человека, позволяющий отличить одного индивида от другого. Совокупность внешних и внутренних особенностей человека, описываемая набором признаков, называется фенотипом. Выражение «наследование признаков» означает передачу генов, детерминирующих соответствующие признаки. Совокупность всех наследственных факторов индивида называется генотипом. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и среды, в которой развивается индивид.

    Читайте так же:  Осаго на мотоцикл спб. Осаго на мотоцикл спб

    Основные закономерности наследования связаны с хромосомной наследственностью, т.е. ядром клетки. Что касается цитоплазматической наследственности, то ее связывают с митохондриями. Цитоплазматические наследственные факторы при делении клетки распределяются между дочерними клетками случайно. В зависимости от проявления генов в гетерозиготе, т.е. индивид имеет два разных состояния гена, называемые аллелями, различают доминантный признак, когда гетерозигота проявляет признак как доминантная гомозигота (индивид имеет два одинаковых аллеля), и рецессивный признак, когда индивид не проявляет признак другой гомозиготы. Доминирование и рецессивность определяются в значительной степени возможностью отличить гомозиготы от гетерозигот и, если такое распознавание возможно, то гены называются кодоминантными. Гены, локализованные в половой Х-хромосоме, характеризуются передачей, которую называют «крест-накрест». При таком наследовании признак матери проявляется у сыновей, а признак отца у дочерей.

    Селекционно-генетические аспекты в наследовании признаков ячменя в условиях Зпадной сибириа Текст научной статьи по специальности « Сельское и лесное хозяйство»

    Аннотация научной статьи по сельскому и лесному хозяйству, автор научной работы — Аниськов Н. И.

    В статье представлена информация, которая позволяет на основе изучения комбинационной способности сортов по их гибридам , генетического анализа по Хейману и сопряженной изменчивости между признаками определить стратегию и тактику отбора продуктивных генотипов, его интенсивность и время осуществления в расщепляющихся гибридных популяциях, начиная с F2.

    Похожие темы научных работ по сельскому и лесному хозяйству , автор научной работы — Аниськов Н.И.,

    SELECTIVE AND GENETIC ASPECTS IN BARLEY FEATURE INHERITANCE IN THE WESTERN SIBERIA CONDITIONS

    The information which allows to determine the strategy and tactics for productive genotype selection, its intensity and realization time in split hybrid populations starting from F2 on the basis of grade combinational ability study on their hybrids, the Heiman genetic analysis and on the feature covariation is given in the article.

    Текст научной работы на тему «Селекционно-генетические аспекты в наследовании признаков ячменя в условиях Зпадной сибириа»

    ?УДК 633.16:631.52(571.1) Н.И. Аниськов

    СЕЛЕКЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ В НАСЛЕДОВАНИИ ПРИЗНАКОВ ЯЧМЕНЯ

    В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

    В статье представлена информация, которая позволяет на основе изучения комбинационной способности сортов по их гибридам, генетического анализа по Хейману и сопряженной изменчивости между признаками определить стратегию и тактику отбора продуктивных генотипов, его интенсивность и время осуществления в расщепляющихся гибридных популяциях, начиная с Fi.

    Ключевые слова: селекционно-генетический аспект, сорт, гибрид, ячмень, наследование признаков.

    N.I. Aniskov SELECTIVE AND GENETIC ASPECTS IN BARLEY FEATURE INHERITANCE IN THE WESTERN SIBERIA CONDITIONS

    The information which allows to determine the strategy and tactics for productive genotype selection, its intensity and realization time in split hybrid populations starting from Fi on the basis of grade combinational ability study on their hybrids, the Heiman genetic analysis and on the feature covariation is given in the article.

    Key words: selective-genetic aspect, grade, hybrid, barley, feature inheritance.

    Эффективность селекции во многом зависит от ценности родительских форм, включаемых в скрещивания. Для этой цели необходимо перед включением генотипов в гибридизацию изучить их по комплексу хозяйственно-ценных признаков, определить характер наследования, основные генетические параметры в местных условиях [1]. При этом нужно иметь в виду, что проявляется высокая степень изменчивости характера наследования под влиянием внешней среды [2].

    Приступая к отбору уникальных генотипов в расщепляющихся гибридных популяциях, необходимо знать:

    1) степень фенотипического проявления признаков у исходных форм и гибридов;

    2) тип наследования признаков (выявляется главный эффект полигенных систем, детерминирующих признак; их стабильность и лабильность в разных условиях вегетации растений);

    3) комбинационную способность (информация о селекционной ценности исходных форм по их гибридам, соотношение аддитивных и неаддитивных эффектов генов в детерминации признаков);

    4) системы генетического контроля признаков (сведения о направленности доминирования, то есть какие гены увеличивают или уменьшают признак, внутрилокусные и межлокусные взаимодействия генов и т.д.) [3].

    Вышеизложенное позволяет селекционеру сделать вывод об общей картине наследования количественных признаков в полигенных системах. Эта информация важна для теории и практической селекции ячменя, главным образом, в области подбора родительских пар, стратегии и тактики отбора.

    Из всех известных схем скрещивания для получения более обширной информации о наследовании количественных признаков предпочтение отдается диаллельным по следующим соображениям. Во-первых, последние позволяют селекционеру располагать всевозможной комбинаторикой генетического материала исходных форм, включенных в эксперимент. Во-вторых, совокупность родительских форм и гибридов р1 в диаллельной таблице дает типичное мендельское расщепление, обнаруживаемое лишь в р2. Поэтому принцип организации диаллельного кросса позволяет сэкономить целое поколение при получении генетической информации. Это очень важно, так как приступая к отборам в р2 и последующих поколениях гибридов, селекционер уже имеет информацию о наследовании признаков [4-6].

    Объекты и методы исследований. Исследования проводились в 2005-2007 гг. на полях СибНИИСХ в зоне южной лесостепи Омской области. Почва опытного участка — лугово-черноземная среднегумусовая, среднемощная среднесуглинистого механического состава.

    Погодные условия вегетации в годы исследований были относительно благоприятными для роста и развития растений. Сложившийся гидротермический режим в 2005-2007 гг. в период посева способствовал активному и дружному появлению всходов, энергичному кущению растений. Однако благодаря более высоким запасам почвенной влаги в период кущения и благоприятным условиям в период формирования и налива зерна, в 2006 г. отмечалось мощное развитие растений. В 2007 г. отмечены обильные осадки ливневого характера, что вызвало полегание посевов.

    Объектом наших исследований были 6 сортов ячменя и 30 межсортовых гибридов, полученных по полной диаллельной схеме (табл. 1).

    Схема скрещиваний голозерных и пленчатых ячменей

    Комбинационную способность определяли по Гриффингу [7].

    Результаты исследований и их обсуждение. Данные исследований показали наличие достоверного генетического разнообразия как у сортов, так и у их гибридов, по изучаемым показателям. В сложившихся условиях вегетации определена норма реакции растений ячменя, а также долевой вклад условий года и генотипа в изменчивость хозяйственно-ценных признаков.

    Признаки по доле генотипа в убывающем порядке распределились следующим образом: число зерен в колосе (87,5 %) > масса 1000 зерен (75,4 %) > содержание крахмала в зерне (11,6 %) > продуктивная кустистость растений (2,0 %) > масса зерна растения (1,5 %) > содержание белка в зерне (1,1 %) > содержание жира в зерне (0,2 %). Значительная зависимость показателей от условий вегетации объясняется природой признака (стабильность, лабильность), межсортовыми различиями (рис.).

    I II III IV V VI VII

    Фактор: ? А (год) ? В (генотип) ? АВ (взаимодествие)

    Доля влияния факторов на изменчивость признаков: I — число зерен в колосе; II — масса 1000 зерен; III — содержание крахмала в зерне; IV — продуктивная кустистость; V — масса зерна растения;

    VI — содержание белка в зерне; VII — содержание жира в зерне

    Изучение комбинационной способности показало (табл. 2), что по числу зерен в колосе доля варианс ОКС составила 92,2; 81,8 %; по продуктивной кустистости — 88,6; 62,1 %; по массе 1000 зерен — 50,4; 55,7 %; содержанию в зерне белка — 61,7; 54,9%; крахмала — 38,6; 55,0 %; жира — 29,3; 59,5%. В менее благоприятных условиях периода вегетации в изменчивости признаков возрастают эффекты аллельного (доминирования) и неаллельного взаимодействия генов (эпистаз). Доля варианс СКС по массе 1000 зерен, содержанию в зерне крахмала, жира, массе зерна растений варьировала от 32,5 до 73,9 %. Наибольшее влияние реци-прокного эффекта отмечено по признакам: масса зерна растения — 20,7; 10,8 %; содержание жира в зерне -17,9; 2,4 %; крахмалистость зерна — 16,4; 12,5 %.

    Доля варианс комбинационной способности и реципрокного эффекта, %

    Признак 2005 г. 2006 г.

    ОКС СКС РЭ ОКС СКС РЭ

    Число зерен колоса 92,2 8,5 1,4 81,8 14,6 3,6

    Продуктивная кустистость 88,6 8,6 2,8 62,1 26,6 11,4

    Масса 1000 зерен 50,4 43,0 6,6 55,7 37,6 6,7

    Масса зерна растения 5,4 73,9 20,7 34,8 54,4 10,8

    Содержание белка 61,7 33,2 5,1 54,9 37,1 8,1

    Содержание крахмала 38,6 45,0 16,4 55,0 32,5 12,5

    Содержание жира 29,3 52,7 17,9 59,5 38,1 2,4

    Исходя из анализа групповых средних сортов и гибридов F1, изучен характер наследования хозяйственно-ценных признаков. В наследовании признаков выявлены все известные типы наследования — от сверхдоминирования до депрессии. По продуктивной кустистости отмечено промежуточное наследование; по числу зерен колоса — промежуточное и доминирование менее озерненного генотипа (двурядные сорта); по массе 1000 зерен гетерозис и доминирование крупнозерных генотипов; по массе зерна растения — промежуточное и сверхдоминирование; по содержанию белка в зерне — промежуточное и доминирование генотипов с более высоким его содержанием (голозерные сорта); по содержанию крахмала в зерне — доминирование родителей с низкой крахмалистостью зерна; по содержанию жира в зерне — депрессия.

    Анализ графиков Хеймана и генетических параметров показал, что число зерен в колосе увеличивают рецессивные гены многорядных сортов, а продуктивную кустистость растений и крупность зерна — доминантные гены двурядных. На величину продуктивности растения оказывают влияние как доминантные, так и рецессивные гены. Показатели качества зерна детерминируются рецессивными генами голозерных разновидностей (табл. 3).

    Генетические параметры хозяйственно-ценных признаков ярового ячменя

    [г*№г+Уг)Хр], П3 Н1, П6 1 е у4йИ1+Г/ \4DH1-F, П13

    2005 г. 2006 г. 2005 г. 2006 г. 2005 г. 2006 г. 2005 г. 2006 г.

    Продуктивная кустистость 0,54±0,29 0,31±0,28 0,53 0,83 0,23 0,16 1,15 3,48

    Число зерен колоса 0,92±0,06 0,98±0,01 0,52 0,70 0,23 0,20 1,47 2,64

    Масса 1000 зерен 0,83±0,13 0,97±0,03 1,19 1,14 0,20 0,20 2,55 2,37

    Масса зерна растения 0,59±0,27 -0,28±0,38 3,90 1,45 0,23 0,17 1,67 3,07

    Содержание белка 0,64±0,24 0,65±0,23 1,22 1,65 0,15 0,18 0,17 0,37

    Содержание крахмала 0,93±0,06 0,72±0,20 1,40 1,19 0,23 0,20 1,75 1,88

    Содержание жира 0,94±0,05 0,99±0,01 1,88 1,27 0,19 0,23 2,27 1,83

    Приступая к отбору продуктивных форм в расщепляющихся гибридных популяциях F2, необходимо учитывать различные системы генетического контроля. При превалировании аддитивно-доминантной системы генов отбор должен быть жестким, а при наличии сверхдоминирования и эпистаза — менее интенсивным. Повторный отбор желателен в более поздних поколениях гибридов F4-F6, когда большинство геноти-

    пов перейдет в гомозиготное состояние. В качестве маркерных признаков для отбора продуктивных форм в жестких погодных условиях предлагается использовать массу зерна колоса и число зерен в нем, а в более благоприятных — продуктивную кустистость растений.

    В качестве доноров на увеличение хозяйственно-ценных признаков для включения в селекционные программы предлагаются по продуктивной кустистости — Омский голозерный 1, Омский 88; по числу зерен колоса — Омский 85, Омский голозерный 2; по массе 1000 зерен — Омский 90, Омский 88; по массе зерна растения — Омский 90, Омский 85, Омский голозерный 1; по содержанию белка, крахмала и жира в зерне -Омский голозерный 1, Омский голозерный 2 (табл. 4).

    Донорские способности сортов ярового ячменя

    Признак Увеличивают признак Сорт

    Омский 87 Омский 88 Омский 90 Омский 85 й і 1 о ^ О зло о 1 Омский голозерный 2

    Продуктивная кустистость Доминантные и рецессивные гены двурядных сортов + +

    Число зерен колоса Рецессивные гены многорядных сортов + +

    Масса 1000 зерен Доминантные гены двурядных сортов + +

    Масса зерна растения Доминантные и рецессивные гены двурядных и многорядных сортов + + +

    Содержание белка Рецессивные гены голозерных сортов + +

    Содержание крахмала Рецессивные гены голозерных сортов + +

    Содержание жира Рецессивные гены голозерных сортов + +

    Расщепление на пленчатые и голозерные формы у гибридов Рг В гибридных популяциях р2 при изучении расщепления на пленчатые и голозерные линии проанализировано 1600 растений. Из них 76 % оказались пленчатыми, а 24 % голозерными. То есть получено типично мендельское расщепление при моногиб-ридном скрещивании (3 пленчатых : 1 голозерное). Однако анализ конкретных гибридных комбинаций показывает, что отмеченное соотношение не всегда подтверждается.

    Так, например, количество голозерных растений, где компонентом скрещиваний является сорт Омский 90, несколько завышено, а с сортом Омский 85 в прямых скрещиваниях, наоборот, занижено (табл. 5).

    Отмеченные отклонения, по-видимому, можно объяснить малой выборкой растений, включенных в анализ. Дальнейшие исследования в этом направлении возможно подтвердят или опровергнут полученные результаты.

    Доля голозерных растений у гибридов р2, %

    Омский голозерный 1 Омский голозерный 2

    Сорт I* II* I II Среднее

    Омский 87 21 22 22 27 23

    Омский 88 24 22 26 26 24

    Омский 90 31 30 25 36 30

    Омский 85 18 22 11 25 19

    Среднее 23 24 21 28 24

    Примечание. I — прямые; II — обратные скрещивания.

    1. При скрещивании сортов ярового ячменя различных разновидностей выявлено, что на фенотипическое проявление хозяйственно-ценных признаков у диаллельных гибридов р1 оказывают влияние генотипические особенности исходных форм и гидротермические условия периода вегетации.

    2. В наследовании хозяйственно-ценных признаков выявлены все известные типы наследования — от сверхдоминирования до депрессии.

    3. В качестве маркерных признаков для отбора продуктивных форм в неблагоприятных погодных условиях предлагается использовать массу зерна колоса и число зерен в нем, а в благоприятных — продуктивную кустистость растений.

    4. В результате изучения генетики признака «пленчатость — голозерность» установлено, что в Fi доминирует пленчатость, а долевое соотношение пленчатых и голозерных растений в F2 соответствует типичному мендельскому расщеплению при моногибридном скрещивании.

    1. Хангильдин В.В., Никонов В.И., Шаяхметов И.Ф. Комбинационная способность и гомеостатичность сортов яровой мягкой пшеницы //Науч.-техн. бюл. / ВСГИ. — 1980. — Вып. 4. — С. 9-14.

    2. Калашник Н.А., Смяловская Я.Э. Селекционно-генетический анализ продуктивности гибридов ячменя // Генетика. — 1986. — Т. 22. — № 7. — С. 1155-1162.

    3. Калашник Н.А., Козлова Г.Я., Аниськов Н.И. Генетика продуктивности и качества зерна пивоваренного ячменя в условиях Среднего Прииртышья. — Новосибирск, 2005. — 132 с.

    Читайте так же:  Договор без НДС: последствия. Ндс надо ли договор

    4. Турбин Н.В. Теоретические основы и методы современной селекции растений //Селекция и семеноводство зерновых и кормовых культур: сб. науч. тр. / ВАСХНИЛ. — М.: Колос, 1972. — С. 27-47.

    5. Усикова А.А. Изучение генетических свойств ярового ячменя с использованием диаллельных скрещиваний // Цитология и генетика. — 1975. — Т. 9. — № 2. — С. 34-39.

    6. Гамзикова О.И., Калашник Н.А. Генетика признаков пшеницы на различных фонах питания. — Новосибирск: Наука, 1988. — 129 с.

    7. Griffing B. Concept of general and specific combining ability in relation to diallel crossing systems // Austral. J. Biol. Sci. — 1956. — Vol. 9. — P. 463-493.

    8. Драгавцев В.А., Цильке Р.А., Рейтер Б.Г. Генетика признаков продуктивности яровой пшеницы в Западной Сибири. — Новосибирск: Наука, 1984. — 229 с.

    УДК 631.112(571.51) В.Н. Романов, Ю.Ф. Едимеичев, И.А. Мазуров

    ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЫРАЩИВАНИЯ КУЛЬТУР В СЕВООБОРОТАХ ОПХ «МИНИНО» КРАСНОЯРСКОГО НИИСХ

    В статье дан анализ изученных материалов по продуктивности культур в севооборотах на разных агротехнических фонах в условиях лесостепи. Конкретизирована оценка эффективности данной технологии на примере одного хозяйства.

    Ключевые слова: пшеница, ячмень, овес, севооборот, урожайность, эффективность.

    V.N. Romanov, Yu.F. Yedimeichev, I.A. Mazumv ECONOMIC AND BIOENERGETIC EFFICIENCY OF THE CULTURE GROWING IN THE CROP ROTATIONS OF EPF «MININO» OF KRASNOYARSK SRIA

    The analysis of the studied materials on culture efficiency in the crop rotations on different agrotechnical fields in the forest-steppe conditions is given. The estimation of the given technology efficiency on the example of one farm is realized.

    Key words: wheat, barley, oats, crop rotation, productivity, efficiency.

    Целью данных исследований стало совершенствование принципов формирования адаптированных севооборотов, а также разработка технологических параметров выращивания культур, обеспечивающих повышение урожайности зерновых на 15-17% и снижение затрат на 12-15%.

    Материалы и методы исследований. Почвенный покров стационара представлен комплексом обыкновенных маломощных и выщелоченных мало- и среднемощных черноземов с содержанием гумуса в пахотном слое 4,1-4,4%, наличием пылеватой, эрозионно опасной фракции (2%) и удовлетворительной ост-руктуренностью пахотного горизонта (43%) [7].

    Ученые с помощью CRISPR-технологии впервые повлияли на наследование генетических признаков у мышей

    В теории классической генетики, называемой менделевским наследованием, вероятность того, что материнские копии конкретного гена будут наследоваться потомством, составляет 50 процентов. Ученым же в своей работе удалось достичь результата в 86 процентов.

    Сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые успешно продемонстрировали работу генного драйва у млекопитающих. В своей работе они использовали методы редактирования генома, чтобы повлиять на способ наследования генетических признаков в популяции мышей. Ранее генный драйв уже разрабатывался в экспериментах на животных, но до сих пор использование этой технологии было продемонстрировано только на насекомых. Результаты их исследования опубликованы в журнале Nature.

    По словам руководителя исследования, генетика Кимберли Купер (Kimberly Cooper), генный драйв смещает передачу одной из двух копий гена, что значительно повышает шансы на наследование этого гена. Работа ученых стала первой, результаты которой продемонстрировали применение этого метода у млекопитающих.

    В своем исследовании команда использовала технологию редактирования генома, известную как CRISPR-Cas9, чтобы повысить вероятность того, что потомство мыши унаследует специфически спроектированный вариант гена тирозиназы (Tyr, который влияет на цвет шерсти мыши) от своих родителей. Эта технология, прежде успешно протестированная только на насекомых, будет полезна в борьбе с многочисленными опасными заболеваниями, такими как малярия, ведь новый метод позволит изменить геном видов комаров, переносящих инфекцию.

    Результаты работы команды Купера имели смешанные результаты: например, они так и не смогли успешно изменить мужскую зародышевую линию без повреждения ДНК. Гораздо успешнее были результаты у самок: как правило, одна из двух версий гена передается 50 процентам потомства, ученым же удалось повысить этот показатель до 86 процентов. По словам Купера, из-за того, что мыши размножаются значительно дольше, чем комары, потребовалось два года, чтобы получить результаты, которые были бы доступны всего через несколько месяцев при работе с насекомыми. При определенном усовершенствовании технологии генный драйв среди млекопитающих может быть использован для борьбы с вредителями или переносчиками болезней.

    Вместе с тем, как утверждают исследователи, технология представляет собой серьезную опасность, ведь она способна изменить целый вид, а потому надлежащая регуляция этого метода должна быть на высоком уровне. Прибегать к возможностям генного драйва следует только при самых серьезных проблемах со здоровьем. Еще один риск использования этой технологии — неконтролируемое распространение измененного варианта, последствия чего трудно предсказать.

    Основные законы наследования и наследственности

    Мы обращали внимание на то, что наследственность и наследование — два разных явления, которые не все строго различают.

    Наследственность есть процесс материальной и функциональной дискретной преемственности между поколениями клеток и организмов. В основе ее лежит точная репродукция наследственно значимых структур.

    Наследование — процесс передачи наследственно детерминированных признаков и свойств организма и клетки в процессе размножения. Изучение наследования позволяет раскрывать сущность наследственности. Поэтому следует строго разделять указанные два явления.

    Рассмотренные нами закономерности расщепления и независимого комбинирования относятся, к изучению наследования, а не наследственности. Неверно, когда «закон расщепления» и «закон независимого комбинирования признаков-генов» трактуются как законы наследственности. Открытые Менделем законы являются законами наследования.

    Во времена Менделя считали, что при скрещивании родительские признаки наследуются в потомстве слитно («слитная наследственность») или мозаично — одни признаки наследуются от матери, другие от отца («смешанная наследственность»). В основе таких представлений лежало убеждение, что в потомстве наследственность родителей смешивается, сливается, растворяется. Такое представление было ошибочным. Оно не давало возможности научно аргументировать теорию естественного отбора, и на самом деле, если бы при скрещивании наследственные приспособительные признаки в потомстве не сохранялись, а «растворялись», то естественный отбор работал бы вхолостую. Чтобы освободить свою теорию естественного отбора от подобных затруднений, Дарвин выдвинул теорию наследственного определения признака отдельными единицами — теорию пангенеза. Однако она не дала правильного решения вопроса.

    Успех Менделя обусловлен открытием метода генетического анализа отдельных пар наследственных признаков; Мендель разработал метод дискретного анализа наследования признаков и по существу создал научные основы генетики, открыв следующие явления:

    1. каждый наследственный признак определяется отдельным наследственным фактором, задатком; в современном представлении эти задатки соответствуют генам: «один ген — один признак», «один ген — один фермент»;
    2. гены сохраняются в чистом виде в ряду поколений, не утрачивая своей индивидуальности: это явилось доказательством основного положения генетики: ген относительно постоянен;
    3. оба пола в равной мере участвуют в передаче своих наследственных свойств потомству;
    4. редупликация равного числа генов и их редукция в мужских и женских половых клетках; это положение явилось генетическим предвидением существования мейоза;
    5. наследственные задатки являются парными, один — материнский, другой — отцовский; один из них может быть доминантным, другой — рецессивным; это положение соответствует открытию принципа аллелизма: ген представлен минимум двумя аллелями.

    Таким образом, Мендель, открыв метод генетического анализа наследования отдельных пар признаков (а не совокупности признаков) и установив законы наследования, впервые постулировал и экспериментально доказал принцип дискретной (генной) детерминации наследственных признаков.

    На основании изложенного нам представляется полезным различать законы, непосредственно сформулированные Менделем и относящиеся к процессу наследования, и принципы наследственности, вытекающие из работы Менделя.

    К законам наследования относятся закон расщепления наследственных признаков в потомстве гибрида и закон независимого комбинирования наследственных признаков. Эти два закона отражают процесс передачи наследственной информации в клеточных поколениях при половом размножении. Их открытие явилось первым фактическим доказательством существования наследственности как явления.

    Законы наследственности имеют другое содержание, и они формулируются в следующем виде:

    Первый закон — закон дискретной (генной) наследственной детерминации признаков; он лежит в основе теории гена.

    Второй закон — закон относительного постоянства наследственной единицы — гена.

    Третий закон — закон аллельного состояния гена (доминантность и рецессивность).

    Именно эти законы представляют собой главный итог работ Менделя, так как именно они отражают сущность наследственности.

    Менделевские законы наследования и законы наследственности являются основным содержанием генетики. Их открытие дало современному естествознанию единицу измерения жизненных процессов — ген и тем самым создало возможности объединения естественных наук — биологии, физики, химии и математики с целью Анализа биологических процессов.

    В дальнейшем при определении наследственной единицы мы будем употреблять только термин «ген». Понятия «наследственный фактор» и «наследственный задаток» громоздки, и, кроме того, вероятно, наступило время, когда наследственный фактор и ген следует различать и вложить в каждое из этих понятий свое содержание. Под понятием «ген» мы пока будем иметь в виду далее неделимую функционально целостную единицу наследственности, определяющую наследственный признак. Термин «наследственный фактор» следует толковать в более широком смысле как комплекс ряда генов и цитоплазматических влияний на наследственный признак.

    Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

    Мнение о том, что хромосомы — подходящие кандидаты на роль материальных носителей наследственности, одним из первых высказал Август Вейсман. В своей «Эволюционной теории», вышедшей в 1903 году, Вейсман отнёс наследственное вещество, называемое им зародышевой плазмой, к ядру половых клеток, а затем — к хромосомам и хроматину. Он это сделал потому, что, судя по цитологическим данным, хромосомы вели себя именно так, как им следовало себя вести, если бы они представляли собой вещество наследственности: они удваивались и разделялись на две равные группы при делении соматических клеток; число их уменьшалось вдвое при образовании гамет, предшествующем смешиванию мужского и женского вкладов во время оплодотворения [3] .

    Хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности.

    Цитоплазматическое наследование

    Цитоплазматическое наследование отличается от ядерного по нескольким параметрам. Во-первых, цитоплазматические гены присутствуют в сотнях и тысячах копий в каждой клетке, поскольку в клетке может быть множество органелл, каждая из которых содержит несколько молекул ДНК. Во-вторых, гены органелл расходятся при делении клеток по дочерним клеткам совершенно случайно и в смысле числа копий, и в смысле аллельного состава. В-третьих, цитоплазматические гены передаются, как правило, только через женские гаметы. В-четвёртых, цитоплазматические гены крайне редко рекомбинируют, и процесс рекомбинации ДНК органелл описан только для соматических клеток. В-пятых, цитоплазматические гены могут реплицироваться неоднократно за один клеточный цикл [4] .

    Цитоплазматическая ДНК может находиться в состоянии гетероплазмии, когда в одной органелле, клетке, органе или организме сосуществуют несколько вариантов цитоплазматических генов, или в состоянии гомоплазмии, когда не наблюдается различий по цитоплазматическим генам.

    Явление нехромосомного (внехромосомного, внеядерного, цитоплазматического) наследования было открыто в 1909—1910 году немецкими исследователями Карлом Корренсом и Эрвином Бауром. В 1909 году К. Корренс сообщил, что при изучении декоративного растения Mirabilis jalapa (ночная красавица) он обнаружил, что окраска листьев (зеленая или пёстрая) наследуется не по Менделю и зависит от материнского растения. Независимо от него в том же выпуске журнала Э.Баур опубликовал статью, в которой также описывал неменделевское наследование признаков при скрещивании пёстролистных растений герани Pelargonium, связанным, по предположению Э.Баура, с наследованием пластид по материнской и отцовской линии [5] . В 1910 году Э.Баур опубликовал результаты экспериментов с пестролистными растениями львиного зева Antirrhinum majus, в которых наследование цвета побегов было исключительно материнским. Э.Баур дал правильную интерпретацию явления неменделевского наследования пёстролистности, считая, что хлоропласты, как и ядро, несут наследственные факторы, способные мутировать, а при митозе пластиды распределяются случайным образом [4] .

    Митохондриальное наследование

    Для митохондриальной ДНК (мтДНК) характерно однородительское наследование, и в большинстве случаев зигота получает все свои митохондрии от матери. Существуют механизмы, которые практически полностью предотвращают передачу отцовских митохондрий следующему поколению. Есть некоторые исключения из этого правила. В некоторых группах растений и грибов обнаружено наследование митохондрий от обоих родительских организмов. У некоторых видов двустворчатых моллюсков отцовские митохондрии наследуются клетками зародышевого пути, в то время как соматические клетки получают мтДНК от матери, такое наследование можно назвать двойным однородительским наследованием [6] .

    У млекопитающих митохондрии передаются строго по материнской линии, после оплодотворения митохондрии сперматозоида уничтожаются на стадии дробления. В яйцеклетке 150—200 тыс. митохондрий и количество мтДНК колеблется примерно в этом же диапазоне. Отсюда следует, что каждая митохондрия в яйцеклетке содержит одну-две молекулы мтДНК. Наличие лишь одной-двух молекул мтДНК в митохондрии обеспечивает более яркое фенотипическое проявление её мутаций. Вероятно, это позволяет на ранних стадиях развития очистить пул митохондрий от дефектных собратьев, которые узнаются и уничтожаются специальными клеточными структурами — митофагами, играющими в клетке роль мусорщиков [7] . Установлено, что у млекопитающих гетероплазмия даже по нейтральным мутациям в мтДНК достаточно быстро, в течение считанных поколений, сменяется гомоплазмией [8] . Это позволило выдвинуть концепцию прохождения мтДНК через бутылочное горлышко на одной из стадий развития. Действительно, после оплодотворения зиготические деления не сопровождаются делениями митохондрий, в результате чего количество митохондрий на клетку снижается с 200 тыс. в яйцеклетке до 5 тыс. на клетку в бластоцисте [8] . После имплантации, в ходе дальнейшей дифференцировки клеток, обособляются первичные половые клетки, гоноциты, в которых наблюдается наименьшее число митохондрий на клетку — 10. Таким образом, митохондрии, которые участвуют в формировании предшественников половых клеток, составляют лишь малую часть (0.01 %) от всего изначального пула митохондрий зиготы. Из-за резкого уменьшения количества митохондрий (примерно в 20 тыс. раз) в клетке сильно сокращается разнообразие мтДНК, а вкупе с механизмом уничтожения дефектных митохондрий это должно обеспечивать передачу следующему поколению только правильно работающих митохондрий [7] .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес электронной почты не будет опубликован.