Основы гинетики

Заокская средняя общеобразовательная школа имени Героя России Сергея Бурнаева

Реферат

На Тему: «Основы генетики.»

Подготовила: Пехтерева Г.А. Ученица 12 класса УКП

Проверила: Поликарпова Н.П.

Заокск 2007г.

Наследственность, представления о генетическом коде, гены индивидуальности.

Оглавление

Аннотация 3

Предисловие 4

Наследственность 6

Условные рефлексы 7

Теория наследственности Вейсмана 8

Методы Гальтона 9

Хромосомная теория наследственности 10

Генетические карты хромосом 10

Генетика пола 13

Нехромосомная теория наследственности 14

Молекулярная генетика. Генетическая информация. Генетический код15

Наследственность и эволюция 17

Генетика человека 19

Наследственность и среда 20

Болезни, связанные с мутациями 22

Лечение и профилактика наследственных болезней 24

Генетическая инженерия 26

Гены индивидуальности28

Заключение 30

Терминологический словарь 32

Список используемой литературы 35

Аннотация

В своей курсовой работе на тему " Наследственность. Представления о генетическом коде. Гены индивидуальности " я рассказала о первых шагах генетики, о сегодняшнем дне этой увлекательной науки и о том, чего ждем мы от нее в ближайшем будущем. Также подробно были рассмотрены достижения современной гене­тики на молекулярном уровне, которая включает в себя биологию и генетику, законы передачи наследственных признаков и структуру генетического вещества, структуру и функции гена, гены и согласованность клеточных функций, наследственность и эволюцию. В этой работе ведется ознакомление с огромным вкладом ге­нетики в соседние с ней области биологии — учение о происхождении жизни, систе­матику и эволюцию организмов.

Предисловие

Испокон веков человек стремился узнать, почему от живых организмов рождаются им подобные? И при этом не отмечается абсолютной схожести родителей и потомства ни в физических признаках, ни в характере.

Теперь очевидно, что схожесть родителей и потомков организмов одного вида определяется наследственностью, а их отличительные особенности - изменчивостью. Два свойства - наследственность и изменчивость - характерны не только для человека, но и для всего живого на Земле. Изучением этих важнейших свойств живых су­ществ занимается наука, называемая генетикой.

Конечно, на первый взгляд кажется, что все мы можем совершенно спокойно жить, не зная сущности секретов наследственности, и что все это неважно. Но так ли это на самом деле?

Как, не зная генетики, объяснить, почему обезьяна не превращается в белого медведя, если даже поселить ее на Крайнем Севере, и почему белый медведь, даже если он родился в зоопарке где-нибудь на юге, все равно остается белым? Сумеют ли работники сельского хозяйства в ближайшем будущем получать с каждого гектара сотни центнеров пшеницы? Скажутся через какие-нибудь 50-100 лет последствия атомных взрывов на потомках современных жителей Хиросимы и Нагасаки? Отчего дети похожи на своих родителей? Грозит ли человечеству вымирание, или мы находимся у начала развития земной цивилизации? Почему без вмешательства человека рожь остается рожью, а пшеница - пшеницей? Каковы причины наследственных забо­леваний и как с ними бороться? Сколько способен прожить человек? Могут ли все люди на Земле быть гениями?

Есть еще тысячи и тысячи подобных вопросов, имеющих очень важное значение как для отдельных людей, так и для всего человечества, ответить на которые нельзя, не познав секреты наследственности и не научившись управлять ею. Когда же человек раскроет все эти тайны и поставит знания себе на пользу, он сможет участвовать в решении практических задач сельского хозяйства, медицины, научится управлять эволюцией жизни на нашей планете в целом.

Вместе с тем не надо забывать, что для духовной жизни и целенаправленной деятельности современного человека исключительно важное значение приобретает научное мировоззрение. Среди философских вопросов нового естествознания один из главных — понимание сущности жизни, ее места в мироздании. И только современная молекулярная генетика сумела показать, что жизнь - это поистине матери­альное, саморазвивающееся явление, отражающее влияние условий внешней среды. Но она также доказала, что жизнь обладает системностью, которую невоз­можно разложить на составляющие ее физико-химические процессы. Однако, со­временная наука еще не знает полностью сущности жизни.

Еще один вопрос: от чего зависит настоящее и будущее человечества? Пробле­ма эта интересовала людей много веков назад и в не меньшей степени волнует се­годня. Это и не удивительно, так как человек отличается от всего окружающего мира в первую очередь тем, что испытывает влияние не только биологических законов. Будущее его не в меньшей, если не в большей степени зависит от социального переустройства мира.

Наследственная информация человека передается от поколения к поколению. Все биологические особенности, послужившие основой для появления человека, обладающего сознанием, закодированы в наследственных структурах, и их пере­дача по поколениям является обязательным условием для существования на Земле человека как разумного существа. Человек как биологический вид — это самое высокое и при этом уникальное " достижение " эволюции на нашей планете. И пока еще ни­кто не может сказать с уверенностью или представить неопровержимые доказательст­ва того, что это не касается всей Вселенной.

Эволюция на Земле то идет медленно, то претерпевает скачки, каждый из которых возносит данную ветвь организмов на новый уровень. Среди многих скачков революций в истории жизни на Земле два, по-видимому, следует считать основными. Во-первых, переход от неорганического мира к органическому, то есть появле­ние жизни, и во-вторых, возникновение сознания, то есть появление человека. Оба эти явления связа­ны с накоплением количественных изменений, вызвавших изменения качественные.

" Как бы человечество ни ушло по пути прогресса, наш хх в. навсегда останется в его памяти. Люди всегда будут помнить, что этот век был отмечен тремя важнейшими дос­тижениями; люди научились использовать энергию атома, вышли в космос и стали на­правленно изменять наследственность. Вот три великих успеха, которые наши отдален­ные потомки будут помнить даже тогда, когда станут летать от звезды к звезде и победят старость и смерть."1

Но если перспективы ядерной физики преподаются в школе, если космонавтов благодаря телевидению мы знаем в лицо, с биологией дело обстоит хуже. Величайшие ее достижения еще не стали известными широким массам.

Основы генетики были заложены чешским ученым Грегором Менделем в эксперементах, результаты которых были опубликованы в 1865 г. С тех пор генетика не остано­вилась в своем развитии. И. М. Сеченов, А. П. Богданов, Н. К. Кольцов, Г. Шаде, Эвери, Мак-Леод, Мак-Карти, Д. Уотсон - вот одни из тех великих ученых, которые внесли ог­ромный вклад в науку о наследственности.

В последние годы на фоне общего снижения заболеваемости и смертности увеличил­ся удельный вес врожденных и наследственных болезней. В связи с этим роль генетики в практической медицине значительно возросла. " Без знания генетики нельзя эффективно проводить диагностику наследственных и врожденных заболеваний."2

Наследственность-присущее всем организмам свойство повторять в ряду поколений одинаковые признаки и особенности развития; обусловлено передачей в процессе размножения от одного поколения к другому материальных структур клетки, содержащих программы развития из них новых особей. Тем самым наследственность обеспечивает преемственность морфологической, физиологической и биохимической организации жи­вых существ, характера их индивидуального развития, или онтогенеза. Как общебиологическое явление наследственность - важнейшее условие существования дифференцированных форм жизни, признаков организмов, хотя оно нарушается изменчивостью-возникновением различий между организмами. Затрагивая самые разнообразные признаки на всех этапах онтогенеза организмов, наследственность проявляется в закономерностях наследования признаков, т.е. передачи их от родителей потомкам.

1. А. А. Богданов, Б. М. Медников "Власть над геном", Москва "Просвещение" 1989 г., 2. В. А. Орехова, Т. А. Лашковская, М. П. Шейбак "Медицинская генетика", Минск, 1997 г.

Иногда термин наследственность относят к передаче от одного поколения другому инфекционных начал (т.н. инфекционная наследственность) или навыков обучения, обра­зования, традиций (т.н. социальная, или сигнальная наследственность). Подобное расширение понятия наследственность за пределы его биологической и эволюционной сущности спорно. Лишь в случаях, когда инфекционные агенты способны взаимодействовать с клетками хозяина вплоть до включения в их генетический аппарат, отделить инфекционную наследствен­ность от нормальной затруднительно.

Условные рефлексы. Как мы знаем, условные рефлексы - это индивидуально приобретенные сложные приспособительные реакции организма животных и человека, возни­кающие при определенных условиях (отсюда название) на основе образования времен­ной связи между условным (сигнальным) раздражителем и подкрепляющим этот раздра­житель безусловно - рефлекторным актом. Условные рефлексы не наследуются, а заново вырабатываются каждым поколением, однако роль наследственности в скорости закреп­ления условных рефлексов и особенностей поведения бесспорна. Поэтому в сигнальную наследственность входит компонент биологической наследственности.

Попытки объяснения явлений наследственности, относящиеся к глубокой древности (Гиппократ, Аристотель и др.), представляют лишь исторический интерес. Только вскрытие сущности полового размножения позволило уточнить понятие наследственности и связать ее с определенными частями клетки. К середине 19 в. благодаря многочис­ленным опытам по гибридизации растений (И. Г. Кельрейтер и др.) накапливаются данные о закономерностях наследственности. В 1865 году Г. Мендель в ясной математиче­ской форме сообщил результаты своих экспериментов по гибридизации гороха. Эти со­общения позднее получили название законов Менделя и легли в основу учения о наследственности - менделизма, почти одновременно были сделаны попытки умозрительно по­нять сущность наследственности. В книге "Изменения домашних животных и культур­ных растений" Ч. Дарвин (1868 г.) предложил свою "временную гипотезу пангенезиса", согласно которой от всех клеток организма отделяются их зачатки-геммулы, которые, двигаясь с током крови, оседают в половых клетках и образованиях, служащих для бес­полого размножения (почки и др.) . Таким образом, получалось, что половые клетки и почки состоят из громадного количества геммул. При развитии организма геммулы пре­вращаются в клетки того же типа, из которых они образовались. В гипотезе пангенезиса объединены неравноценные

представления: о наличии в половых клетках особых частиц, определяющих последующее развитие особи; о переносе их из клеток тела в половые. Первое положение было плодотворным и привело к современным представлениям о корпускулярной наследственности . Второе, давшее основание для представления о наследо­вании приобретенных признаков, оказалось неверным. Умозрительные теории наследст­венности развивали также Ф. Гальтон, К. Негели, Х. Де Фриз.

Наиболее детализированную спекулятивную теорию наследственности предложил А. Вейсман (1892). Основываясь на накопившихся к тому времени данных по оплодотворению, он признавал наличие в половых клетках особого вещества - носителя наследственности - зародышевой плазмы. Видимые образования клеточного ядра хромосомы - Вейсман считал высшими единицами зародышевой плазмы -идантами. Иданты состоят из ид, располагающихся в хромосоме в виде зерен в линейном порядке. Иды состоят из детерминат, определяющих при развитии особи сорт клеток, и биофор, обусловливаю­щих отдельные свойства клеток. Ида заключает в себе все детерминаты, нужные для по­строения тела особи данного вида. Зародышевая плазма содержится лишь в половых клетках; соматические, или клетки тела, лишены ее. Чтобы объяснить это коренное раз­личие, Вейсман предполагал, что в процессе дробления оплодотворенного яйца основ­ной запас зародышевой плазмы (а значит, и детерминат) попадает в одну из первых кле­ток дробления, которая становится родоначальной клеткой так называемого зародышево­го пути. В остальные клетки зародыша в процессе "неравнонаследственных делений" попадает лишь часть детерминат; наконец, в клетках останутся детерминаты сорта, определяющие характер и свойства именно этих клеток. Существенное свойство за­родышевой плазмы ее большое постоянство. Теория Вейсмана оказалась ошибочной во многих деталях. Однако его идея о роли хромосом и о линейном расположении в них элементарных единиц наследственности оказалась верной и предвосхитила хромосомную теорию наследственности. Логический вывод из теории Вейсмана-отрицание насле­дования приобретенных признаков. Во всех умозрительных теориях наследственности можно обнаружить отдельные элементы, нашедшие в дальнейшем подтверждение и более полное развитие в сложившейся в начале 20 в. генетике. Важнейшие из них:

а) выделение в организме отдельных признаков или свойств, наследование которых может быть проанализировано соответствующими методами;

б) детерминация этих свойств особыми дискретными единицами наследственности, локализованными в структурах клетки (ядра) (Дарвин называл их геммулами, Де Фризпангенами, Вейсман - детерминатами). В современной генетике общепринятым стал предложенный В. Иогансеном (1909) термин ген.

" Ген - элементарная единица наследственности, представляющая отрезок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты - ДНК (у некоторых вирусов - рибонуклеиновой кислоты - РНК). Каждый ген определяет строение одного из белков живой клетки и тем самым участвует в формировании признака или свойств организма. "3

3. Каменский А. А., Соколова Н. А. ,Титов С. А. "Биология" , м., 1997 г.

Методы Гальтона. Особняком стояли попытки установления закономерностей наследственности статистическими методами. Один из создателей биометрии - Ф. Гальтон применил разработанные им методы учета корреляции и регрессии для установления связи между родителями и потомками. Он сформулировал следующие законы наследст­венности (1889):

- регрессии, или возврата к предкам

- анцестральной наследственности, то есть доли наследственности предков в наследственности потомков.

Законы носят статистический характер, они применимы лишь к совокупностям организмов и не раскрывают сущности и причин наследственности, что могло быть достигнуто только с помощью экспериментального изучения наследственности разными методами и прежде всего гибридологическим анализом, основы которого были заложены еще Менде­лем. Так были установлены закономерности наследования качественных признаков: мо­ногибридное - различие между скрещиваемыми формами зависит лишь от одной пары ге­нов, дигибридное - от двух , полигибридное- от многих. При анализе наследования коли­чественных признаков отсутствовала четкая картина расщепления, что давало повод вы­делять особую, так называемую слитную наследственность и объяснять ее смещением наследственных плазм скрещиваемых форм. В дальнейшем гибридологический и био­метрический анализ наследования количественных признаков показал, что и слитная на­следственность сводится к дискретной, но наследование при этом полигенное. В этом случае расщепление трудно обнаружить, так как оно происходит по многим генам, действие которых на признак осложняется сильным влиянием условий внешней Среды. Таким образом, хотя признаки можно разделять на качественные и количественные, термины "качественная" и "количественная" наследственность не оправданы, так как обе категории наследственности принципиально одинаковы.

Развитие цитологии привело к постановке вопроса о материальных основах наследственности. Впервые мысль о роли ядра как носителя наследственности была сформулирована О. Гертвигом (1884) и Э. Страсбургером(1884) на основании изучения процесса оплодотворения. Т. Бовери (1887) установил индивидуальность хромосом и развил гипотезу о их качественном различии. Он же, а также Э. ван Бенедет (1883) установили уменьшение количества хромосом вдвое при образовании половых клеток в мейозе. Американский ученый У. Сетгон (1902) дал цитологическое объяснение закону Менделя о независимом наследовании признаков. Однако подлинное обоснование хромосомной теории наслед­ственности было дано в работах Т. Моргана и его школы (начиная с 1911), в которых было показано точное соответствие между генетическими и цитологическими данными. В опытах на дрозофиле было установлено нарушение? независимого распределения признаков - их сцепленное наследование. Это явление было объяснено сцеплением генов, то есть нахождением генов, определяющих эти признаки, в одной определенной паре хромосом. Изучение частоты рекомбинаций между сцепленными генами (в результате кроссинговера) позволило составить карты расположения генов в хромосомах.

Генетические карты хромосом - схемы относительного расположения сцепленных между собой наследств, факторов — генов. Генетические карты хромосом отображают реально существующий линейный порядок размещения генов в хромосомах и важны как в теоретических исследованиях, так и при проведении селекционной работы, т. к. позволяют сознательно подбирать пары признаков при скрещиваниях, а также предсказывать особенности наследования и проявления различных признаков у изучаемых организмов. Имея Ге­нетические карты хромосом, можно по наследованию «сигнального» гена, тесно сцеп­ленного с изучаемым, контролировать, передачу потомству генов, обусловливающих раз­витие трудно анализируемых признаков; напр., ген, определяющий сморщенный эндос­перм у кукурузы и находящийся в 9-й хромосоме, сцеплен с геном, определяющим пони­женную жизнеспособность растения. Многочисленные факты отсутствия (вопреки зако­нам Менделя) независимого распределения признаков у гибридов второго поколения были объяснены хромосомной теорией наследствен­ности. Гены, расположенные в одной хромосоме, в большинстве случаев наследуются сов­местно и образуют одну группу сцепления, количество которых, таким образом, соответству­ет у каждого организма гаплоидному числу хромосом. Американский генетик Т. X. Морган показал, однако, что сцепление генов, расположенных в одной хромосоме, у диплоидных организмов не абсолютное; в некоторых случаях перед образованием половых клеток между однотипными, или гомологичными, хромосомами происходит обмен соответственными участками; этот процесс носит название перекреста, или кроссинговера. Обмен участками хромосом (с находящимися в них генами) происходит с различной вероятностью, зависящей от расстояния между ними (чем дальше друг от друга гены, тем

позволяет обнаружить перекрест только при различии го­мологичных хромосом по составу генов, что при кроссинговере приводит к появлению новых генных комбинаций. Обычно расстояние между генами на Генетических картах хро­мосом выражают как процент кроссинговера (отношение числа мутантных особей, отли­чающихся от родителей иным сочетанием генов, к общему кол-ву изученных особей); еди­ница этого расстояния — морганида — соответствует частоте кроссинговера в 1 %. Итак, выделим основные положения хромосомной теории наследственности:

1. Гены располагаются в хромосомах, различные хромосомы содержат неодинаковое число генов, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

2. Гены в хромосоме расположены линейно, каждый ген занимает в хромосоме оп­ределенный локус (место).

3. Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и вместе (сцеплено) передаются потомкам, число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом.

4. Сцепление не абсолютно, так как в профазе мейоза может происходить кроссинговер и гены, находящиеся в одной хромосоме, разобщаются. Сила сцепления зависит от расстояния между генами в хромосоме: чем больше расстояние, тем меньше сила сцепле-ния1 и наоборот. Расстояние между генами измеряется в процентах кроссинговера. 1% кроссинговера соответствует одной морганиде.4

Генетические карты хромосом составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаружения. Кроме номера группы сцепления, указывают полные или сокращённые назв. мутантных генов, их рас­стояния в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а так­же место центромеры. Составить Генетические карты хромосом можно только для объек­тов, у которых изучено большое число мутантных генов. Например, у дрозофилы иденти­фицировано свыше 500 генов, локализованных в её 4 группах сцепления, у кукурузы — около 400 генов, распределённых в 10 группах сцепления (рис. 1). У менее изученных объ­ектов число обнаруженных групп сцепления

меньше гаплоидного числа хромосом. Так, у домовой мыши выявлено около 200 генов, об­разующих 15 групп сцепления (на самом деле их 20); у кур изучено пока всего 8 из 39. У

4. В. А. Орехова, Т. А. Лашковская, М. П. Шейбак "Медицинская генетика", Минск, 1997 г.

Схема мейоза.

Схема расщепления по признаку пола.

человека из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом) идентифицирова­но только 10, причём в каж­дой группе известно неболь­шое число генов; наиболее подробные карты составлены

Модели генетического кода: 1-й тип — перекрывающийся код беззапятых; 2-й тип — неперекрывающийся код без запятых; З-й тип — код с «промежутками», т.е. код с заняты».

. -«*

Рис. 2. Генетическая карта хромосомы кишечной палочки. Цифры означает время, необхо­димое для переноса в клегку-реципиент генетнчесих маркёров, контролирующих: биосинтез ряда аминокислот, а также устойчивостьсть к стрептомицину и к Фагу Г,; эта цифры характеризуют расстояние между генами. Обозначения: adt— аденин; hit — гистиднн: try — триптофан: gat — галактоза; (or — лактоза: pro — пролин: ten — дейцин; tfe — треонин; TRtff— иетионнн; игр — аргинин'. mt — маннит; ryl — ксилоза: mol — мальтоза; itr — сернв; giy— гляпип: ttrн Т, — ус­тойчивость к стрептомицину или фагу Т,.

для половых хромосом. У бактерий, которые являют­ся гаплоидными организ­мами, имеется одна, чаще всего непрерывная, коль-

Pin. 1. Генетические карты 7—10-и хромосом кукурузы*Цифры по длине хромосомом

оботачают расстояние от кон­ца хромосомы в морганндах: буквы — сокращённые названия признаков, определяемых соответствующими генами.

цевая хромосома и все гены образуют одну группу сцеп­ления (рис. 2). При переносе генетич. материала из клет­ки- донора в клетку-реципиент, например при конъюга-

ции, кольцевая хромосома разрывается и образующаяся линейная структура переносится из одной бактериальной клетки в другую (у кишечной палочки в течение 110-120 мин). Искусственно прерывая процесс конъюгации, можно по возникшим типам рекомбинантов установить, какие гены успели перейти в клетку-реципиент. В этом состоит один из методов построения Генетических карт хромосом бактерий, детально разработанных у ряда видов. Ещё более детализированы Генетические карты хромосом некоторых бакте­риофагов.

Генетика пола. Количество групп сцепленных генов оказалось равным количеству пар хромосом, присущих данному виду. Важнейшие доказательства хромосомной теории наследственности были получены при изучении наследования, сцепленного с полом. Ранее цитологи открыли в хромосомных наборах ряда видов животных особые, так называе­мые половые хромосомы, которыми самки отличаются от самцов. В одних

других - самцы-2 одинаковые (ХХ, или ZZ), а самки – разные (ХУ, или ZW). Пол с одинаковыми половыми хромосомами называется гомогаметным, с разными - гетерогаметным. Женский пол гомогаметен, а мужской гетерогаметен у некоторых насекомых ( в том числе у дрозофи­лы) и всех млекопитающих. Обратное соотношение - у птиц и бабочек. Ряд признаков у дрозофилы наследуется в строгом соответствии с передачей потомству Х-хромосом. Самка дрозофилы, проявляющая рецессивный признак, например белую окраску глаз, в силу гомозигогности по этому гену, находящемуся в Х-хромосоме, передает белую окраску глаз всем сыновьям, так как они получают свою Х-хромосому только от матери. В случае гетерозиготности по рецессивно­му сцепленному с полом признаку самка передает его половине сыновей. При противопо­ложном определении пола (самцы XX, или ZZ; самки-XY, или ZW) особи мужского пола передают сцепленные с полом признаки дочерям, получающим свою Х ( =Z) хромосому от отца. Иногда в результате нерасхождения половых хромосом при мейозе возникают самки строения XXY и самцы XYY. Возможны также случаи соединения Х-хромосом концами; тогда самки передают сцепленные Х-хромосомы своим дочерям, у которых и проявляются сцепленные с полом признаки. Сыновья же похожи на отцов (такое наследование называ­ется гологеническим). Если наследуемые гены находятся в Y-хромосоме, то определяе­мые ими признаки передаются только по мужской линии - от отца к сыну (такое наследо­вание называется голандрическим). Хромосомная теория наследственности вскрыла внутриклеточные механизмы наследственности, дала точное и единое объяснение всех яв­лений наследования при половом размножении, объяснила сущность изменений наследст­венности, то есть изменчивости.

Нехромосомная теория наследственности. Первенствующая роль ядра и хромо­сом в наследственности не исключает передачи некоторых признаков и через цитоплаз­му, в которой обнаружены структуры, способные к самовоспроизведению. Единицы цитоплазматической (нехромосомной) наследственности отличаются от хромосомных тем, что они не расходятся при мейозе. Поэтому потомство при нехромосомной наследственности воспроизводит признаки только одного из родителей (чаще матери). Таким обра­зом, различают ядерную наследственность, связанную с передачей наследственных признаков, находящихся в хромосомах ядра (иногда ее называют хромосомной наследст­венностью), и внеядерную наследственность, зависящую от передачи самовоспроизво­дящихся структур цитоплазмы. Ядерная наследственность реализуется и при вегета­тивном размножении, но не сопровождается

перераспределением генов, что наблюдает­ся при половом размножении, а обеспечивает константную передачу признаков из поко­ления в поколение, нарушаемую только соматическими мутациями.

Молекулярная генетика. Применение новых физических и химических методов, а также использование в качестве объектов исследования бактерий и вирусов резко повысили разрешающую способность генетических экспериментов, привели к изучению на­следственности на молекулярном уровне и бурному развитию молекулярной генетики. Впервые Н. К. Кольцов (1927 г) выдвинул и обосновал представления о молекулярной основе наследственности и о матричном способе размножения "наследственных молекул".В 40-х гг. 20 в. была экспериментально доказана генетическая роль дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК ) , а в 50-60-х гг. установлена ее молекулярная структура и выяснены принципы кодирования генетической информации. Генетическая информа­ция, заложенная в наследственных структурах организмов (в хромосомах, цитоплазме, кле­точных организмах), получаемая от предков в виде совокупности генов информация о со­ставе, строении и характере обмена составляющих организм веществ (прежде всего белков и нуклеиновых кислот) и связанных с ними функциях. У многоклеточных форм при по­ловом размножении генетическая информация передаётся из поколения в поколение через посредство половых клеток — гамет, единственная функция которых — передача и хранение генетической информации. У микроорганизмов и вирусов имеются особые типы ее переда­чи. Генетическая информация заключена преимущественно в хромосомах, где она зашиф­рована в определённой линейной последовательности нуклеотидов в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК (генетический код). Генетический код - это система за­шифровки наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот, реализующаяся у животных, растений, бактерий и вирусов в виде последовательности нуклеотидов. В природных необычных Сахаров. Так как количе­ство кодирующих знаков Генетического кода (4) и число разновидностей аминокислот в белке (20) не совпадают, кодовое число (т. е. кол-во нуклеотидов, кодирующих 1 аминокис­лоту) не может быть равно 1. Различных сочетаний по 2 нуклеотида возможно лишь 42 = 16, но этого также недостаточно для зашифровки всех аминокислот. Американский учёный Г. Гамов предложил (1954) модель триплетного генетического кода, т. е. такого, в ко­тором 1 аминокислоту кодирует группа из трёх нуклеотидов, называемых кодоном. Число возможных триплетов равно 43 = 64, а это более чем втрое превышает число

распростра­нённых аминокислот, в связи с чем было высказано предположение, что каждой аминокис­лоте соответствует несколько кодонов (так называемая вырожденность кода). Было пред­ложено много различных моделей генетического кода, из которых серьёзного внимания за­служивали три модели (см. рис.): перекрывающийся код без запятых, неперекрывающийся код без запятых и код с запятыми. В 1961 Ф. Крик (Великобритания) с сотрудниками полу­чил подтверждение гипотезы триплетного неперекрывающегося кода без запятых. Уста­новлены следующие основные закономерности, касающиеся генетического кода:

1) между последова­тельностью нуклеотидов и кодируемой последовательностью аминокислот существует ли­нейное соответствие (коллинеарность генетического кода);

2) считывание кода начинается с определённой точки;

3) считывание идёт в одном направлении в пределах одного гена;

4) код является неперекрывающимся;

5) при считывании не бывает промежутков (код без за­пятых);

6) генетический код, как правило, является вырожденным, т. е. 1 аминокислоту ко­дируют 2 и более триплетов-синонимов (вырожденность генетического кода уменьшает вероятность того, что мутационная замена основания в триплете приведёт к ошибке);

7) кодовое число равно трём;

8) код в живой природе уни­версален (за некоторыми ис­ключениями). Универсальность генетического кода подтверждается эксперимен­тами по синтезу белка in vitгo. Если в бесклеточную систему, полученную из од­ного организма (например, кишечной палочки), добавить нуклеинокислотную матрицу, полученную из другого организма, далеко отстоящего от первого в эволюционном отношении (например, проростков гороха), то в такой системе будет идти белковый синтез. Благодаря работам американских генетиков М. Ниренберга, С. Очоа, X. Корана известен не только состав, но и порядок нуклеотидов во всех кодонах.

Из 64 кодонов у бактерий и фагов 3 кодона — УАА, УАГ и УГА — не кодируют аминокислот; они служат сигналом к освобождению полипептидной цепи с рибосомы, т. е. сиг­нализируют о завершении синтеза полипептида. Их наз. терминирующими кодонами. Существуют также 3 сигнала о начале синтеза — это т. н. инициирующие колоны — АУТ, ГУГ и УУГ,— которые, будучи включёнными в начале соответствующей информационной РНК (и - РНК), определяют включение формилметионина в первое положение синтезируе­мой полипептидной цепи. Приведённые

Полный «словарь» генетического кода

Для аминокислот

данные справедливы для бактериальных систем; для высших организмов многое ещё не ясно. Так, кодон УГА у высших организмов может быть значащим; не совсем понятен также механизм инициации полипептида.

*В начале цепи и-РНК данный кодон определяет начало синтеза полепепидной цепи и кодирует аминокислоту формилметионин. От готовых полиплоидных цепей формильная группа или вся аминокислота может быть отщеплена с помощью соответствующих ферментов.

Реализация генетического кода в клетке происходит в два этапа. Первый из них про­текает в ядре; он носит назв. транскрипции и заключается в синтезе молекул и - РНК на соответствующих участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК «переписывается » в нуклеотидную последовательность РНК. Второй этап — трансляция — протекает в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и - РНК пе­реводится в последовательность аминокислот в белке; этот этап протекает при участии транспортной РНК (т - РНК) и соответствующих ферментов. Генетическая информация реализуется в ходе онтогенеза — развития особи — ее передачей от гена к признаку. Все клетки организма возникают в результате делений единственной исходной клетки — зиготы — и потому имеют один и тот же набор генов — потенциально одну и ту же генетическую информацию. Специфичность клеток разных тканей определя­ется тем, что в них активны разные гены, т. е. реализуется не вся информация, а только её часть, необходимая для функционирования данной ткани.

По мере изучения наследственности на субклеточном и молекулярном уровне углублялось и уточнялось представление о гене. Если в опытах по наследованию различных при­знаков ген постулировался как элементарная неделимая единица наследственности, а в свете данных цитологии его рассматривали как изолированный участок хромосомы, то на молекулярном уровне ген-входящий в состав хромосомы участок молекулы ДНК , спо­собный к самовоспроизведению и имеющий специфическую структуру, в которой зако­дирована программа развития одного или нескольких признаков организма. В 50-х гг. на микроорганизмах (американский генетик С. Бензер) было показано , что каждый ген со­стоит из ряда различных участков, которые могут мутировать и между которыми может происходить кроссинговер. Так подтвердилось представление о сложной структуре гена, развивавшееся еще в 30-х гг. А. С. Серебровским и Н. П. Дубининым на основе данных генетического анализа. В 1967-69 гг. был осуществлен синтез вирусной ДНК вне организма, а также химический синтез гена дрожжевой аланиновой транспортной РНК. Новой областью исследо­вания стала наследственность соматических клеток в организме и в культурах тканей. Открыта возможность экспериментальной гибридизации соматических клеток разных видов. В связи с достижениями молекулярной биологии явления наследственности при­обрели ключевое значение для понимания ряда биологических процессов, а также для множества вопросов практики.

Наследственность и эволюция. Еще Дарвину было ясно значение наследственности для эволюции организмов. Установление дискретной природы наследственности устранило одно из важных возражений против дарвинизма: при скрещивании особей, у которых появились наследственные изменения, последние должны якобы "разбавляться" и ослабевать в своем направлении. Однако, в соответствии с законами Менделя, они не уничто­жаются и не смешиваются, а вновь проявляются в потомстве в определенных условиях. В популяциях яв­ления наследственности предстали как сложные процессы, основанные на скрещиваниях между особями, отборе, мутациях, генетико-автоматических процессах и др. На это впервые указал С. С. Четвериков (1926 г.), экспериментально доказавший накопление мутаций внутри популяции. И. И. Шмальгаузен (1946 г.) выдвинул положение о " мобилизационном резерве наследственной изменчивости " как материале для творческой деятельности естественного отбора при изменении условий внешней среды. Показано значение разных типов изменений наследственности в эволюции. Эволюция понимается как постепенное и многократное изменение наследственности вида, в то же время наследственность, обеспечивающая постоянство видовой организации, -это коренное свойство жизни, свя­занное с физико-химической структкрой элементарных единиц клетки, прежде всего ее хромосомного аппарата, и прошедшее длительный период эволюции.

Принципы организации этой структуры (генетический код), по-видимому, универсальны для всех живых существ и рассматриваются как важнейший атрибут жизни.

Под контролем наследственности находится и онтогенез, начинающийся с оплодотворения яйца и осуществляющийся в конкретных условиях среды. Отсюда различие между со­вокупностью генов, получаемых организмом от родителей, — генотипом и комплексом признаков организма на всех стадиях его развития — фенотипом. Роль генотипа и среды в формировании фенотипа может быть различна.

Но всегда следует учитывать генотипически обусловленную норму реакции организма на влияния среды. Изменения в фенотипе не отражаются адекватно на генотипиеской структу­ре половых клеток, поэтому традиционное представление о наследовании приобретённых признаков отвергнуто, как не имеющее фактически основы и неправильное теоретически. Ме­ханизм реализации наследственности в ходе развития особи, повидимому, связан со сме­ной действия разных генов во времени и осуществляется при взаимодействии ядра и цито­плазмы, в которой происходит синтез тех или иных белков на основе программы, записанной в ДНК и передающейся в цитоплазму с информационной РНК.

Закономерности наследственности имеют огромное значение для практики сельского х-ва и медицины. На них основываются выведение новых и совершенствование существующих сортов растений и пород животных.

Изучение закономерностей наследственности привело к научному обоснованию применявшихся ранее эмпирически методов селекции и к разработке новых приёмов (экспериментальный мутагенез, гетерозис, полиплоидия и др.)

Генетика человека - это отрасль генетики, тесно связанная с антропологией и медици­ной. Генетика человека условно подразделяют на антропогенетику, изучающую наследст­венность и изменчивость нормальных признаков человеческого организма, и генетику медицинскую, которая изучает его наследственную патологию (болезни, дефекты, уродства и др.). Генетика человека связана также с эволюционной теорией, так как исследует конкретные механизмы эволюции человека и его место в природе, с психологией, философией, со­циологией. Из направлений Генетика человека интенсивно развиваются питогенетика, биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика высшей нервной деятельности, физиологическая генетика.

В Генетике человека вместо классического гибридологического анализа применяют генеало­гический метод, который состоит в анализе распределения в семьях (точнее, в родословных) лиц, обладающих данным признаком (или аномалией) и не обладающих им, что раскрыва­ет тип наследования, частоту и интенсивность проявления признака и т. д. При анализе се­мейных данных получают также цифры эмпирического риска, т. е. вероятность обладания признаком в зависимости от степени родства с его носителем. Генеалогическим методом уже по­казано, что более 1800 морфологических, биохимических и др. признаков человека наследуется по законам Менделя. Например, тёмная окраска кожи и волос доминирует над светлой; по­ниженная активность или отсутствие некоторых ферментов определяется рецессивными ге­нами, а рост, вес, уровень интеллекта и ряд др. признаков — «полимерными» генами, т. е. системами из мн. генов. Мн. признаки и болезни человека, наследующиеся сцеплено с полом, обусловлены генами,

локализованными в Х- или У- хромосоме. Таких генов из­вестно около 120. К ним относятся гены гемофилии А и В, недостаточности фермента глюко-зо-6-фосфат-дегидрогеназы, цветовой слепоты и др. Др. метод генетики человека— близнецовый метод. Однояйцовые близнецы (ОБ) развиваются из одной яйцеклетки, оплодо­творённой одним спермием; поэтому набор генов (генотип) у ОБ идентичен. Разнояйцовые близнецы (РБ) развиваются из двух и более яйцеклеток, оплодотворённых разными спермами; поэтому их генотипы различаются так же, как у братьев и сестёр.

Наследственность и среда.

Гены проявляют свои функции не в пустоте, а в такой высокоорганизованной сис­теме , как клетка, которая сама находится в определенном окружении — среди других клеток или во внешней среде. Каков бы ни был генотип, его свойства проявляются лишь в той степени, в какой это позволяют окружающие условия.

Растение, выращиваемое в темноте, остается белым и хилым ; оно неспособно из­влекать из углекислого газа энергию, необходимую для обмена веществ, даже в том случае, когда все его клетки содержат генетическую информацию. необходимую для развития хлоропластов, а также синтеза и деятельности хлорофилла. В равной мере генетические потенции, определяющие цвет глаз, проявляются только в особых ус­ловиях, которые создаются в клеткафадужной оболочки; эти потенции реализуются при условии, если предварительно благодаря действию многочисленных генов сам глаз достаточно развился.

Наконец, фенотип организма представляет собой результат взаимодействий между генотипом и средой в каждый данный момент его жизни и на каждом этапе его ин­дивидуального развития.

Действия среды могут быть отнесены к двум типам, хотя в реальной обстановке они часто налагаются друг на друга. С одной стороны, это сильные воздействия, приводящие к полному или частичному подавлению выражения генетических потен­ций с другой - слабые влияния, выражающиеся лишь в небольших изменениях сте­пени их выражения. Первый тип воздействий зависит от случайных обстоятельств. Второй обычен и неразрывно связан с функционированием живой материи.

Индивидуальное развитие высшего организма начинается со стадии зиготы. На­следственные потенции, получаемые им от родителей, проявляются лишь постепенно, в ходе длительного и сложного процесса развития. Начиная с первых делений дробления яйца, в их реализации принимает участие среда.

Для генов будущего организма исходной средой служит цитоплазма яйца, проис­ходящего от материнского организма и воплощающего в себе клеточную непрерывность. Этого может оказаться достаточно, чтобы ориентировать развитие эмбриона в направлении, не совпадающем с его собственным генотипом.

Сравнение внутрипарных различий между однояйцовыми и разнояйцовыми близнеца­ми позволяет судить об относительном значении наследственности и среды в определении свойств человеческого организма. В близнецовых исследованиях особенно важен показа­тель конкордантности, выражающий (в % ) вероятность обладания данным признаком одним из членов пары ОБ или РБ, если его имеет другой член пары. Если признак детер­минирован преимущественно наследственными факторами, то процент конкордантности намного выше у ОБ, чем у РБ. Например, конкордантность по группам крови, которые детер­минированы только генетически, у ОБ равна 100%. При шизофрении конкордантность у ОБ достигает 67%, в то время как у РБ — 12,1%; при врождённом слабоумии (олигофре­нии) — 94,5% и 42,6% соответственно. Подобные сравнения проведены в отношении ряда заболеваний. Таким образом, исследования близнецов показывают, что вклад наследствен­ности и среды в развитие самых разнообразных признаков различен и признаки развива­ются в результате взаимодействия генотипа и внешней среды. Одни признаки обусловлены преим. генотипом, при формировании др. признаков генотип выступает в качестве пред­располагающего фактора (или фактора, лимитирующего норму реакции организма на дей­ствия внешней среды).

Болезни, связанные с мутациями. Геном человека включает несколько миллионов ге­нов, способных к тому же по-разному влиять на развитие признаков. В результате мутаций и перекомбинации генов возникает присущее человеку разнообразие по самым разным признакам. Гены человека мутируют каждый с частотой от 1 на 100 000 до 1 на 10 000 000 гамет на поколение. Распространение мутаций среди больших групп населения изучает популяционная генетика человека, позволяющая составить карты распространения генов, определяющих развитие нормальных признаков и наследственных болезней. Особый инте­рес для популяционной генетики человека представляют изоляты — группы населения, в которых по каким-либо причинам (географическим, экономическим, социальным, религиозным и др.) браки заключаются чаще между членами группы. Это приводит к повышению частоты кровного родства вступающих в брак, а значит, и вероятности того, что рецессивные гены перейдут в гомозиготное состояние и проявятся, что особенно заметно при мало­численности изолята.

Исследования в области Генетики человека продемонстрировали наличие естественного отбора в человеческих популяциях. Однако отбор у человека приобретает специфические черты: он интенсивно действует только на эмбриональной стадии (например, самопроиз­вольные аборты — отражение такого отбора). Отбор в человеческом обществе осуществля­ется посредством дифференциальной брачности и плодовитости, то есть в результате взаи­модействия социальных и биологических факторов. Мутационный процесс и отбор обу­словливают огромное разнообразие (полиморфизм) по ряду признаков, присущее человеку, что делает его с биологической точки зрения необычайно пластичным и приспособленным видом. Широкое использование в генетике человека цитологических методов способствовало раз­витию цитогенетики, где основной объект исследования — хромосомы, т. е. структуры клеточного ядра, в которых локализованы гены. Установлено (1946), что хромосомный набор в клетках тела человека (соматических) состоит из 46 хромосом, причём женский пол оп­ределяется наличием двух Х-хромосом, а мужской — Х-хромосомы и У-хромосомы. В зрелых половых клетках находится половинное (гаплоидное) число хромосом. Митоз, мейоз и оплодотворение поддерживают преемственность и постоянство хромосомного на­бора, как в ряду клеточных поколений, так и в поколениях организмов. В результате нару­шений указанных процессов могут возникать аномалии хромосомного набора с изменени­ем числа и структуры хромосом, что приводит к возникновении хромосомных болезней, которые нередко выражаются в слабоумии,

развитие тяжёлых врождённых уродств, аномалий половой дифференцировки или обусловливают самопроизвольные аборты.

История изучения хромосомных болезней берет начало с клинических исследований, проводившихся задолго до описания хромосом человека и открытия хромосомных анома­лий .

Хромосомные болезни - болезнь Дауна, синдромы: Тернера, Клайнфелтера, Патау, Эдвардса.

С разработкой метода авторадиографии стала возможной идентификация некоторых индивидуальных хромосом, что способствовало открытию группы хромосомных болезней, связанных со структурными перестройками хромосом. Интенсивное развитие учения о хромосомных болезнях началось в 70х годах 20 в. после разработки методов дифференци­ального окрашивания хромосом.

Классификация хромосомных болезней основана на типах мутаций вовлеченных в них хромосом. Мутации в половых клетках приводят к развитию полных форм хромосом­ных болезней, при которых все клетки организма имеют одну и ту же хромосомную анома­лию.

В настоящее время описано 2 варианта нарушений числа хромосомных наборов - тетраплоидия и триплодия . Другая группа синдромов обусловлена нарушениями числа от­дельных хромосом - трисомиями (когда имеется добавочная хромосома в диплоидном на­боре) или моносомия (одна из хромосом отсутствует ). Моносомии аутосом несовместимы с жизнью. Трисомии - более часто встречающаяся патология у человека . Ряд хромосомных болезней связан с нарушением числа половых хромосом.

Самая многочисленная группа хромосомных болезней- это синдромы , обусловлен­ные структурными перестройками хромосом . Выделяют хромосомные синдромы так на­зываемых

частичных моносомий ( увеличение или уменьшение числа отдельных хромосом не на це­лую хромосому, а на ее часть ).

В связи с тем, что подавляющая часть хромосомных аномалий относится к категории летальных мутаций, для характеристики их количественных параметров используются 2 показателя - частота распространения и частота возникновения. Выяснено, что около

170 из 1000 эмбрионов и плодов погибают до рождения , из них около 40% - вследствие

влияния хромосомных нарушений . Тем не менее значительная часть мутантов ( носителей хромосомной аномалии) минует действие внутриутробного отбора.

Но некоторые из них погибают в раннем, до достижения пубертатного возраста. Больные с аномалиями половых хромосом из - за нарушений полового развития, как правило, не оставляют потомства. Отсюда следует все аномалии можно отнести к мутациям. Показано, что в общем случае хромосомные мутации почти полностью исчезают из популяции через 15-17 поколений.

Для всех форм хромосомных болезней общим признаком является множественность нарушений ( врожденные пороки развития ). Общими проявлениями хромосомных болез­ней являются : задержка физического и психомоторного развития, умственная отсталость, костно-мышечные аномалии, пороки сердечно - сосудистой, мочеполовой, нервной и др. систем, отклонение в гормональном, биохимическом и иммунологическом статусе и др.

Степень поражения органов при хромосомных болезней зависит от многих факторов - типа хромосомной аномалии , недостающего или избыточного материала индивидуаль­ной хромосомы , генотипа организма, условий среды , в котором развивается организм .

Этиологическое лечение хромосомных болезней в настоящее время не разработано.

Разработка методов пренатальной диагностики делает этот подход эффективным в борьбе не только с хромосомными, но и с др. наследственными болезнями.

Лечение и профилактика наследственных болезней. Успехи в развитии генетики чело­века сделали возможными предупреждение и лечение наследственных заболеваний. Один из эффективных методов их предупреждения — медико-генетическое консультирование с предсказанием риска появления больного в потомстве лиц, страдающих данным заболева­нием или имеющих больного родственника. Достижения биохимической генетике челове­ка раскрыли первопричину (молекулярный механизм) множество наследственно обуслов­ленных дефектов, аномалий обмена веществ, что способствовало разработке методов экс­пресс - диагностики, позволяющих быстро и рано выявлять больных, и лечения мн. Прежде неизлечимых наследств, болезней. Чаще всего лечение состоит во введении в организм веществ, не образующихся в нём вследствие генетического дефекта, или в составлении специальных диет, из которых устранены вещества, оказывающие токсическое действие на организм в результате наследственно обусловленной неспособности к их расщеплению. Многие генетические дефекты исправляются с помощью своевременного хирургического вмешательства или педагогической коррекции. Практические мероприятия, направленные на поддержание наследственного здоровья человека, на охрану генофонда человечества,

осуществляются через систему медико-генетических консультаций. Основная цель меди­ко-генетического консультирования — информировать заинтересованных лиц о вероятно­сти риска появления в потомстве больных. К медико-генетическим мероприятиям относит­ся также пропаганда генетических знаний среди населения, т. к. это способствует более от­ветственному подходу к деторождению. Медико-генетическая консультация воздерживает­ся от мер принудительного или поощрительного характера в вопросах деторождения или вступления в брак, принимая на себя лишь функцию информации. Большое значение имеет система мер, направленных на создание наилучших условий для проявления положит, на­следств, задатков и предотвращение вредных воздействий среды на наследственность че­ловека.

Генетика человека представляет собой естественнонаучную основу борьбы с расизмом, убедительно показывая, что расы — это формы адаптации человека к конкретным усло­виям среды (климатическим и иным), что они отличаются друг от друга не наличием «хо­роших» или «плохих» генов, а частотой распространения обычных генов, свойственных всем расам. Генетика человека показывает, что все расы равноценны (но не одинаковы) с биологической точки

зрения и обладают равными возможностями для развития, определяемого не генетическими, а социально-историческими условиями. Констатация биологических наследственных различий между отдельными людьми или расами не может служить основанием для каких-либо вы­водов морального, юридического или социального порядка, ущемляющих права этих лю­дей или рас. Данные генетики человека показали, что довольно часты гены, определяющие развитие разнообразных уродств и наследственных заболеваний: наследственных болезней обмена, психических и др. Уменьшению вероятности появления в семьях наследственно больных детей призваны способствовать медико-генетические консультации. Ранняя диагностика наследственных заболеваний позволяет применить необходимые методы лечения. Существенно важен учёт наследственности в реакции разных людей на лекарства и другие химические вещества, а также в иммунология, реакциях. Бесспорна роль молекулярно-генетических механизмов в этио­логии злокачественных опухолей.

Явления наследственности предстают в разной форме в зависимости от уровня жизни, на котором они изучаются (молекула, клетка, организм, популяция). Но в конечном счёте наследственность обеспечивается самовоспроизведением материальных единиц наследственности (генов и цитоплазматических элементов), молекулярная структура которых известна. Закономерный матричный характер их ауторепродукции нарушается мутациями отдельных генов или перестройками генетических систем в целом. Всякое изменение в ауторепродуцирующемся элементе наследуется константно.

Генетическая инженерия.

Что такое генетическая инженерия? Генетическая инженерия - это раздел молекуляр­ной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала. Основа прикладной генетической инженерии - теория гена. Созданный генети­ческий материал способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные про­дукты обмена.

Из истории генетической инженерии. Генетическая инженерия возникла в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П. Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

Строение рекомбинантной ДНК. Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гиб­ридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее час­то в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бак­терии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента.

Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало техни­чески выполнимой задачей.

Этапы генного синтеза. Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе фрагментов путем механического или рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило, приходится либо синтезировать химико-биологическим путем, либо получать в виде ДНК-копии информационных РНК, соответствующих избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), и полностью лишены регуляторных участков. И поэтому не способны функ­ционировать в клетке-хозяине.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молеку­лярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в клетку-хозяина. Сущест­вует 3 пути селекции рекДНК: генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

Практические результаты генной инженерии. В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные ве­щества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промыш­ленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промыш­ленности, названная «индустрией ДНК». Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный по­средством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления Практические результаты генной инженерии. В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК , гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные ве­щества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промыш­ленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промыш­ленности, названная «индустрией ДНК». Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный по­средством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления

генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных со­единений.

Теоретическое значение генетической инженерии. За короткий срок генная инжене­рия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического аппарата. Генная инженерия имеет большие перспективы в лечении наследственных бо­лезней , которых на сегодняшний день зарегистрировано около 2000. Г.и. призвана помо­гать исправлять ошибки природы.

Достигнуты большие успехи в клонировании. Клон, или группа клеток, образуется делением первой клетки. Каждая соматическая клетка человека несет один и тот же набор ген, всю

наследственную информацию. Если она начнет делиться , то вырастет новый организм т.е. с таким же генотипом. В 1997 г. доктор Ян Вилмут в Шотландии в г. Эддинбурге получил с группой ученых ягненка Долли ( искусственным путем ). Этот ягненок не имеет отца, так как клетка была взята у матери. Возникло опасение , что эксперименты по генной инжене­рии могут быть опасны для человечества . В 1974 г. спец. Комиссия американских биоло­гов опубликовала сообщение генетикам мира , в котором рекомендовала воздержаться от экспериментов с некоторыми видами ДНК , пока не будут разработаны меры безопасности

Но все-таки необходимо было разработать ограничительные меры . 30 июля 1997 г. комитет по науке в Конгрессе США проголосовал за полный запрет экспериментов, свя­занных с клонированием людей. Президент еще раньше запретил выделение денег на эти эксперименты.

В России в 1996 г. Государственная Дума приняла закон о государственном регули­ровании в области генетической инженерии.

Гены индивидуальности.

" Одно из чудес , которое мы наблюдаем ежедневно и ежечасно, - неповторимая индивиду­альность каждого человека, живущего на Земле. Ученым долгое время не удавалось найти ключ к этой загадке.

Известно, что вся информация о строении и развитии живого организма "записана" в его геноме- совокупности генов. Считается, что внутри одного вида геномные различия очень незначительны."5 Например, ген окраски глаз у человека отличается от гена окраски глаз у кролика, однако у разных людей этот ген устроен одинаково и состоит $из одинако­вых последовательностей ДНК.

Существует огромное разнообразие белков, из которых построены живые организмы и удивительное многообразие генов, кодирующих эти белки. В геноме каждого человека есть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Некоторые гены человека от­личаются от генов крысы всего несколько нуклеотидами-знаками генетического кода. Дру­гие гены у них разные, но одинаковые у двух людей. Изменчивость, связанная с существо­ванием генов, подобных генам группы крови у человека, также не объясняет огромного разнообразия природных белков.

В 1985 г. были обнаружены в геноме человека особые сверхизменчивые участки-мини-сателлиты. Эти участки ДНК оказались индивидуальными у каждого человека и с их по­мощью удалось получить "портрет " его ДНК .т. е. определенных генов.

Этот "портрет"- сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка раз­мытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Это сочетание называют ДНК-отпечатками (по аналогии с отпечатками пальцев) или "ДНК- профиль".

"На основе сверхъизменчивых последовательностей ДНК были сконструированы специ­альные маркеры, или зонды ДНК."6 Маркеры, помеченные радиоактивным изотопом, до­бавляют к обработанным специальным образом ДНК, с которыми первые находят сходные сверхъизменчивые участки на ДНК и присоединяются к ним. Эти участки становятся радио­активными, так что их можно выявить с помощью радиоавтографии. У каждого человека распределение таких мест индивидуально. Там, где маркеры присоединились к большому числу сверхъизменчи­вых участков на ДНК (много радиоавтографических сигналов)- это широкая темная полоса. Где мало мест присоединения,- узкая темная полоса. Где их совсем нет,- светлая полоса.

Итак , ученые обнаружили , что геном человека буквально "насыщен" сверхъизменчивыми последовательностями ДНК. Стали обнаруживаться неуловимые прежде индивиду­альные последовательности ДНК.

5. С. X. Карпенков 'Концепции современного естествознания",М.,1997 г. 6. С. X. Карпенков " Основы современного естествознания" , М.,1997 г.

После разгадки индивидуальности человека, встал вопрос: обладают ли такой же ин­дивидуальностью другие организмы? Существуют ли у них сверхъизменчивые последова­тельности ДНК? Ученые должны были найти универсальный маркер, одинаково пригод­ный как для бактерий, так и для человека. Им оказался бактериофаг (вирус бактерий). Это открытие было чрезвычайно важно для работы генетиков и селекционеров.

Выяснилось, что с помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию лично­сти гораздо более успешную , чем это позволяли сделать традиционные методы отпечат­ков пальцев и анализ крови. Вероятность ошибки - одна на несколько миллионов. Новым открытием сразу же воспользовались криминалисты, которые быстро и эффективно при­менили его на практике.

С помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и глубокого прошлого.

«Генетические экспертизы по установлению отцовства-наиболее частый повод обра­щения судебныхорганов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обраща­ются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить раз­вод на основании того, что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпе­чаткам ДНК матери и ребенка в отсутствии отца, и наоборот, для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. При наличии же материала матери , отца и ре­бенка ДНК-отпечатки выглядят не сложнее, чем картинка из школьного учебника: каждая полоса на ДНК-отпечатке ребенка может быть "адресована" либо отцу, либо матери."7

Наиболее интересны прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Встает вопрос паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев.

Заключение

Все что мы знаем сегодня о механизмах наследственности, действующих на всех уров­нях организации живого (особь, клетка, субклеточная структура, молекула ), удалось уста­новить благодаря теоретическому и техническому вкладу многих дисциплин - биохимии, кристаллографии, физиологии, бактериологии, вирусологиию, цитологии и, наконец, ге­нетики. В этой кооперации генетика выступала в качестве ведущего начала

7. С. X. Карпенков "Основы современного естествознания", М.,1997 г.

исследований, унифицировавшего получаемые результаты. Генетическое истолкование биологических явлений имеет в сущности объединяющее значение, как это хорошо выражено в ставшем уже классическим афоризме Ж. Моно: "Все, что верно для бактерии, верно и для слона". На современном этапе биологических знаний вполне обоснованно считать, что все свойст­ва организмов , включая человека, могут быть всецело объяснены (если уже не объяснены) особенностями их генов и тех белков , которые ими кодируются. Поэтому к какой бы от­расли биологии ни относилось изучаемое явление- будь то эмбриология, физиология, патология или иммунология, теперь уже невозможно не учитывать его генетические основы. За каждым явлением скрывается его строгая детерминация группа работающих генов и бел­ков, осуществляющих свои функции.

Эти факты и представляют собой в совокупности солидный вклад генетики в понима­ние первичных механизмов жизни. Но значение генетики этим не исчерпывается. оно свя­зано также с внутренними особенностями генетического метода.

Генетик имеет дело с мутациями , которые служат для него рабочим материалом. Дей­ствительно, мутация, выражающаяся в наследственном изменении какого-то свойства, об­наруживает известную долю генетического материала организма, о существовании и функции которой иначе было бы трудно догадаться. Генетический анализ (состоящий в прослеживании передачи какого-либо признака при половом размножении) позволяет ус­тановить число генов, ответственных за изучаемый признак, и их локализацию. Если при­знак представляет собой факт эмпирический, сложный (поскольку он соответствует внеш­ним выражениям сложного взаимодействия элементарных явлений) и к тому же изменяю­щийся в зависимости от условий Среды и многочисленных микрофакторов, ускользающих от контроля экспериментатора, то ген, на­против,- факт точный, конкретный и стабильный. Совершенно очевидно, что стремление разложить данное явление на его генетические компоненты всегда способствует становле­нию метода ясного логичного анализа.

Кроме того, использование данных генетики-единственный метод, позволяющий био­логу вести строго научное экспериментальное исследование и с уверенностью сопостав­лять полученные результаты. Таким образом, генетика дает нам одновременно теоретиче­ски рациональный подход, вносящий ясность в понимание исследуемых явлений, и точный экспериментальный метод. Они, безусловно, сохранят свое значение до тех пор. пока не будут удовлетворительно объяснены все свойства живых организмов.

Терминологический словарь.

Аллельные гены-гены, располоденные в одних и тех же точках гомологичных хромосом.Аллель можнт быть доминантным и рецесивным.

Гаплоидность-состояние клетки с половинным хромосомным набором (имеется лишь по одной из двух гомологичных хромосом). Гаплоидным набором хромосом обладают жен­ские и мужские половые клетки.

Генетическая рекомбинация- обмен участками генетического материала между гомоло­гичными хромосомами или хроматидами в процессе деления клеток.

Геном- совокупность генов, заключенная в гаплоидном наборе хромосом. Генотип- совокупность генов в генетическом наборе у данного вида.

Гетерозиготность- состояние гибридного генетического набора, при котором гомологич­ные хромосомы содержат различные аллели.

Гетерохроматин- спирализованные , интенсивно окрашивающиеся участки хромосом, об­ладающие своеобразной генетической функцией.

Гиперплоидность- наличие большего, чем обычно, количества генетического материала.

Гипоплоидность- наличие в клетках меньшего, нежели в норме, количества генетического материала.

Гомозиготность- состояние генетического набора, при котором парные гены на гомологичных хромосомах одинаковы.

Гомологичные хромосомы- хромосомы, сходные по строению и несущие одинаковый на­бор аллельных генов.

Диплоидность- наличие четного числа хромосом в клетках, при котором каждой хромосо­ме соответствует ее гомолог.

Дифференцировка клеток- процесс специализации функций и биохимических свойств клеток в организме.

ДНК- дезоксирибонуклеиновая кислота - химическое соединение , кодирующее генетиче­скую информацию и хранящее ее в хромосомах эукариотических клеток.

Доминантность-преимущественное появление в фенотипе одного из двух парных генети­ческих признаков в противоположность рецессивному признаку.

Конъюгация хромосом- временное соединение гомологичных хромосом.

Мейоз- особый вид деления клеток. Его биологический смысл состоит в генетической ре­комбинации и появлении гаплоидных половых клеток.

Мембрана- в биологии обозначение для белково-липидных клеточных оболочек и внутри­клеточных перегородок.

Митоз- совокупность сложных процессов в ходе деления неполовых клеток.

Митохондрии- частицы в цитоплазме клетки, вырабатывающие энергию для ее жизнедея­тельности.

Мутация- случайное изменение генетического материала, передающееся по наследству.

Половые хромосомы- у человека Х- и Y-хромосомы. Все остальные (у человека 22 пары) именуются аутосомами.

Протокариотические клетки- клетки, у которых ДНК не содержится в четко выраженном ядре.

Репликация ДНК- удвоение молекулы ДНК перед делением клетки.

Рецессивность- отсутствие проявляемости данного аллеля в паре с доминантным аллелем.

Рибосомы- частицы в клетке, состоящие из РНК и белка. На рибосомах идет считывание (трансляция) информационной РНК и образование белка.

РНК- рибонуклеиновая кислота- химическое соединение , продукт генетической активно­сти ДНК. Служит для переноса генетических сообщений внутри клеток.

Соматические клетки- любые клетки организма, кроме половых.

Фенотип- совокупность свойств и признаков организма, которые являются результатами взаимодействия генотипа особи и окружающей среды.

Фермент- белок, катализирующий определенные химические реакции в клетке. Последо­вательность аминокислот в нем определяется соответствующим геном или генами.

Хромосомы- основная структурная часть ядра клетки, содержащая ДНК и белок. Хроматиды- хромосомы, прошедшие процесс удвоения в ходе деления клетки. Цистрон- один из эквивалентов понятия "ген".

Цитоплазма- часть клетки, окружающая клеточное ядро. Именно в цитоплазме происхо­дит синтез белка на рибосомах.

Эукариотические клетки- клетки, имеющие ядро, ограниченное от цитоплазмы. Эухроматин- деспирализованные , генетически активные участки ДНК в ядрах клеток. Ядрышко- структура внутри клеточного ядра. Место синтеза рибосомальной РНК.

Список используемой литературы:

1.С. X. Карпенков "Концепципи современного естествознания",М.,1997 г.

2. В. А. Орехова, Т. А. Лашковская, М. П. Шейбак "Медицинская геенетика",Минск, 1997 г.

3. А. А. Богданов, Б. М. Медников "Власть над геном", Москва "Просвещение" 1989 г.

А. А. Каменский, Н. А. Соколова, С. А. Титов "Биология", Москва ,1997 г.

Биологический энциклопедический словарь, Москва, 1989 г.

6. Маниатис Т., Методы генетической инженерии, М., 1984;