Уровни организации наследственного материала Вопросы: Хромосомный уровень Геномный уровень Доц. Зубарева Е.В. Лекция 3

Хромосомный уровень организации наследственного материала Вильгельм Вальдейер, немецкий анатом в 1888 г. предложил термин хромосома Теодор Бовери (немецкий эмбриолог) и Уолтер Сэттон (американский цитолог)– 1902 – 1907 гг. – сделали вывод, что хромосомы являются материальными носителями наследственной информации. Это легло в основу хромосомной теории наследственности.

80 е гг. XIX века – описан митоз – деление соматических клеток и мейоз – деление половых клеток Хромосомный уровень организации наследственного материала Эдмунд Вильсон, гг. - открыл половые хромосомы Вильгельм Людвиг Иогансен – 1909 г. – предложил термин «ген», «генотип», «фенотип».

Хромосомный уровень организации наследственного материала Томас Морган и его сотрудники А.Стертевант, Г. Мёллер, К. Бриджес в 1910 г. открыли сцепленное наследование и доказали, что хромосома состоит из генов, расположенных в линейном порядке. Они внесли огромный вклад в хромосомную теорию наследственности Они также доказали роль хромосом в определении пола

Хромосомная теория наследственности Сформулирована на мухах дрозофилах Хромосомные наборы (2n) самки и самца дрозофилы Суть хромосомной теории наследственности: Хромосома является материальным носителем наследственной информации

Основные положения хромосомной теории Хромосома состоит из генов Каждый ген занимает определённое место- локус Гены располагаются в хромосоме в линейном порядке Гены, расположенные в одной хромосоме, сцеплены между собой, образуют группу сцепления и наследуются вместе

Основные положения хромосомной теории У каждого вида организмов число групп сцепления равна числу пар хромосом для гомогаметного пола и + 1 для гетерогаметного. Сила сцепления между генами в хромосоме обратно пропорциональна расстоянию между ними. Сцепление может быть полным (абсолютным) и не полным (не абсолютным).

Основные положения хромосомной теории Расстояние между генами определяется по формуле: Х = кросс. особей n х 100 Нарушение сцепления генов в хромосоме возникает в результате кроссинговера Частота возникновения кроссинговера между генами прямо пропорциональна расстоянию между ними, а сила сцепления – обратно пропорциональна выражается в процентах кроссинговера или в морганидах

Основные положения хромосомной теории Таким образом, хромосома, с одной стороны, дискретная структура, а с другой - целостная В хромосомной теории нашел отражение принцип генетики – единство дискретности и непрерывности наследственного материала

Хромосомный уровень Зависит от физико-химического состояния хромосом, т.е. её конденсации и деконденсации.

Хромосомный уровень организации наследственного материала Изучение дифференциальной конденсации хромосом методами дифференциальной окраски позволили описать хромосомы человека и создать карты хромосом человека

Хромосомы человека и способы их окраски Кариотип человека Рутинная окраска (обычная) препаратом Романовского-Гимза ( азур-эозином )

Хромосомы человека и способы их окраски G – окраска – трипсин -> Гимза. R – окраска –сначала кислота, затем щелочь -> Гимза(негатив) наоборот. T – окраска теломер. C – окраска – постоянный гетерохроматин. Щелочь – солевой р-р – Гимза (прицентромерные участки) г – Парижская конференция по номенклатуре цитогенетике человека приняла единый тип G-окрашивания. Примеры: 9Р1.3 – галактоземия 4Р1.5 – фенилкетонурия Хq2.7 – гемофилия (номер хромосомы, плечо, участок, номер полосы)

Хромосомы человека Различные виды дифференциальной окраски: С- окраскаR- окраска

Хромосомы человека Ag – окраска Fish – окраска с использованием ДНК-зонда (серебрение) применяется для выявления ядрышко образующих районов, расположенных в коротких плечах акроцентрических хромосом

Хромосомный уровень В 1905 – 1906 г Вильсон открыл половые хромосомы и доказал их роль в детерминации пола Существуют три типа определения пола: прогамный, сингамный и эпигамный

Хромосомный уровень регуляции В 1922 г.американский ученый Бриджес создал гипотезу генного баланса. Суть её: пол изначально бисексуален. Развитие половых признаков определяется балансом женских и мужских генов – де терминаторов пола У человека важную роль в детерминации пола играет У- хромосома У- хромосома имеет небольшое количество генов гомологичных генам Х хромосомы

Хромосомный уровень регуляции Большая часть генов У-хромосомы не имеет гомологов в Х-хромосоме и наследуется только по мужской линии. Некоторые из этих генов связаны с детерминацией мужского пола. У человека присутствие У хромосомы в кариотипе обеспечивает развитие мужского пола. У- хромосома имеет короткое и длинное плечо. В коротком плече имеется фактор TDF – SRY ген, который определяет дифференцировку семенников.

ХРОМОСОМНЫЕ ОСНОВЫ ДЕТЕРМИНАЦИИ ПОЛА У ЧЕЛОВЕКА Схема Y-хромосомы (По: GenBank, 2003) Ген SRY- на конце короткого плеча Определяющий фактор TDF (Testis determining factor) Обнаруживается уже на стадии зиготы.Testis determining factor Результат утраты SRY : появляются особи с женским фенотипом при наличии XY хромосом. 1,6% ДНК гаплоидного генома; 92 гена

Формирование пола у человека Первичная детерминация: Фактор TDF обеспечивает дифференцировку зачатка половой железы и образование двух групп клеток: клеток Сертоли и Лейдиго Клетки Сертоли выделяют антимюллеровский гормон, Клетки Лейдиго вырабатывают тестостерон и определяют дифференцировку Вольфового канала Формируется сексуальное поведение

Хромосомные основы детерминации пола у человека Вторичная детерминация пола: Гормон Тестостерон (андроген), выделяемый семенниками. Функции: формирование внутренних половых протоков; развитие семенных пузырьков; наружных половых органов. Нарушения биосинтеза андрогенов: гипоспадия, крипторхизм, выраженный женский фенотип

Формирование пола у человека

Хромосомные основы детерминации пола у человека Третичная детерминация пола с участием аутосомных генов: -Участвуют в детерминации пола более 10 аутосомных генов: - SOX9 – в длинном плече 17 хромосомы (определяет развитие яичек и яичников) - WT1 – в коротком плече 11 хромосомы (определяет развитие гонад и почек)

Гипотеза генного баланса Мужской пол имеет одну Х хромосому и У хромосому ( ХУ ) У - хромосома имеет мало генов, определяющих соматические признаки, но в ней находятся гены для образования и функционирования сперматозоидов Чандра предложил гипотезу дозового эффекта генов Женский пол имеет две Х хромосомы (ХХ)

Дозовая компенсация генов В 1949 г. М. Барр обнаружил компактные глыбки хромосомного материала в ядрах нервных клеток у кошек, у котов таких глыбок не было. Эти структуры были названы тельцами Барра. В 1959 г. С. Оно пришел к выводу, что тельце Барра формируется из одной Х-хромосомы у самок млекопитающих. В 1961 г. М. Лайон сделала вывод, что дозовая компенсация генов, локализованных в Х- хромосоме млекопитающих, осуществляется за счет инактивации одной из двух родительских хромосом.

Дозовая компенсация генов Половой хроматин Выяснено, что у женщин наряду с инактивацией почти всей Х – хромосомы наблюдается родительский импринтинг отдельных генов Х-хромосомы Инактивации подвергается большая часть генов. Выбор Х – хромосомы для инактивации случаен. Инактивированная Х- хромосома выглядит как компактизированное красящее тельце – Х – хроматин или половой хроматин

Понятие о геноме Геном – это совокупность всей ДНК, находящейся в клетке у про- и эукариот Геном прокариот имеет небольшие размеры Основная масса ДНК прокариот активно транскрибируется (95 %) включает – нуклеоид – комплекс ДНК с негистоновыми белками и плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК Геномный уровень регуляции

Геном эукариот – совокупность ядерной и митохондриальной ДНК клетки (у растений еще ДНК пластид) Ядерный геном Митохондриальный геном

В состав митохондриального генома входит 37 генов, которые отвечают за р РНК, тРНК, 13 комплексов дыхательной цепи Общее содержание таких молекул может достигать до экземпляров за счет большого количества митохондрий Геном митохондрий передается по материнской линии и обладает достаточной самостоятельностью, но структура митохондриальных белков образуется при участии ядерного генома Митохондриальный геном Размер – пн

Ядерный геном клетки Ядерный геном – это совокупность наследственного материала в гаплоидном наборе хромосом Геном обладает видоспецифичностью Пример: Человек – 3,5 х 10 9 пн, n=23 Мышь -3 х 10 9 пн, n= 20 Курица – 1,2 х 10 9, n =39 Поддержание постоянства организации наследственного материала на геномном уровне имеет первостепенное значение для нормального развития организма

Геном эукариот ДНК митохондрий составляет 1% генома млекопитающих и составляет нп Размер генома человека – 3, нп, содержит до 1, 5 млн. генов, примерно 100 тысяч белков Большая часть генома эукариот не транскрибируется – молчащие участки Избыточность генома эукариот объясняется экзон – иностранной структурой гена (Парадокс С) Понятие о геноме

Эволюция генома Существует гипотеза, что первые клеточные геномы имели избыточную ДНК способную реплицироваться Дальнейшая эволюция шла в двух направлениях; У прокариот Уменьшение размеров генома Увеличение интенсивности размножения и быстрая смена поколений Понятие о геноме

У эукариот Эволюция связана с нарастающим увеличением количества ДНК. Могла осуществляться несколькими путями: Полиплоидизацией Амплификацией нуклеотидных последовательностей Эволюция генома

СЕКВЕНИРОВАНИЕ ГЕНОМА. В 70 е годы разработана методика определения последовательности нуклеотидов ДНК: Автор Ф. Сенгер, 1977 г. Этапы секвенирования: 1. Денатурация ДНК до одноцепочечной 2. Отжиг концов и метка их Р 32, Р 33, S Растущие фрагменты ДНК от праймера до дидезоксинуклеотида определяют при электрофорезе

Вопрос: Сколько групп сцепления содержит гетерогаметный пол человека?