Реферат: Что такое ген? Генетическая точка зрения
Этот пример наследования строго обусловлен половыми хромосомами. Если аллели красных и белых глаз находятся в Х-хромосоме, и при этом Х-хромосома вообще не содержит локуса для окраски глаз, фенотип самца будет определяться единственным аллелем, находящимся в Х-хромосоме. Этот аллель перейдет ко всем дочерям, но ни один из сыновей его не получит. Данный случай является типичным примером наследования, сцепленного с полом.
Гены линейно выстроены вдоль хромосом
Независимая сегрегация хромосом, происходящая в мейозе, объясняет независимую комбинацию генов, расположенных в разных хромосомах. Но, как известно, общее число генетических факторов значительно больше, чем число хромосом. Следовательно, если все гены расположены в хромосомах, то каждая хромосома должна содержать много генов. Каковы же взаимоотношения между этими генами?
О стремительном темпе развития генетики в начале века свидетельствует тот факт, что в 1913 г., всего лишь через три года после сообщения о первом белоглазом мутанте, Стертевант (Sturtevant) сообщил об изучении наследования шести сцепленных с полом мутаций. В 1911 г. Морган (Morgan) показал, что каждый из этих факторов ведет себя в скрещиваниях так же, как красная и белая окраска глаз. Следовательно, каждый фактор должен располагаться в Х-хромосоме.
Некоторые из факторов оказались связанными между собой. Вопреки второму закону Менделя, доля родительских генотипов в F2 оказалась выше предполагаемой, что объяснялось пониженным образованием рекомбинантных типов в этом поколении. Тенденция некоторых признаков оставаться связанными, вместо того чтобы комбинироваться независимо, была названа сцеплением. На рис.8 показано, как измеряют сцепление.
Морган предположил, что причина генетического сцепления факторов - это "просто механический результат их локализации в одной хромосоме". Он предположил также, что образование генетических рекомбинантов можно отождествить с процессом кроссинговера, наблюдаемого в мейозе. В раннем мейозе, на стадии, когда четыре копии каждой хромосомы представлены в виде бивалента, между близко расположенными (конъюгировавшими) гомологичными парами происходит попарный перекрест генетического материала, названный хиазмой. Этот процесс схематически изображен на рис.9.
Забежим на несколько лет вперед. Только в 1931 г. было формально доказано, что рекомбинация обусловлена кроссинговером. У кукурузы и у дрозофилы были получены подходящие транслокации, при которых оторванная часть одной хромосомы прикрепилась к другой. Это позволяет отличить по внешнему виду хромосому с транслокацией от нормальной хромосомы. Как изображено на рис.10, в подобных скрещиваниях можно показать, что образование генетических рекомбинантов происходит только при физическом обмене между соответствующими областями хромосом.
Хромосомы изображены в виде окрашенных полосок. Гены гетерозиготного родителя обозначены черными буквами, гены родителя, рецессивного по двум признакам, цветными буквами. Это скрещивание относится к тому же типу, что и скрещивание, показанное на рис.4. В скрещивании, изображенном сверху, одна хромосома несет оба доминантных аллеля, другая - оба рецессивных (скрещивание с аллелями "в фазе притяжения"). Таким образом, родительские типы представляют собой АВ и ab, рекомбинантные типы-zli и аВ.
В скрещивании, изображенном снизу, одна хромосома гетерозиготы несет один доминантный и один рецессивный аллель, а другая хромосома несет противоположную комбинацию (скрещивание с аллелями "в фазе отталкивания"). Следовательно, родительские типы - это АЬ и аВ, рекомбинантные - АВ и аЪ. В каждом случае в потомстве наблюдается увеличение доли родительских типов (70%) и уменьшение доли рекомбинантных типов (30%) по сравнению с 50% для каждого типа, что ожидалось бы при независимой комбинации генов. Заметим, что в потомстве, полученном от этих скрещиваний, два родительских типа присутствуют в одинаковом количестве; одинаково и количество двух рекомбинантных типов. Сцепление в данном случае между А и В равно 30%, или 30 условным единицам карты.
Если вероятность образования хиазмы между двумя точками в хромосоме зависит от расстояния между ними, гены, расположенные ближе друг к другу, будут наследоваться вместе. По мере увеличения расстояния между двумя генами возрастает и вероятность кроссинговера между ними. Таким образом, если рекомбинация обусловлена кроссинговером, гены, находящиеся близко друг к другу, должны быть тесно сцеплены, причем генетическое сцепление будет уменьшаться по мере физического удаления. И наоборот, генетическое сцепление можно использовать как меру физического расстояния.
Исходя из представления о том, что гены одной хромосомы сцеплены между собой, Стертевант (Sturtevant) предложил использовать частоту рекомбинации в качестве единицы расстояния на карте для измерения относительной локализации генов. Эта единица расстояния выражается как процент рекомбинации:
Расстояние измеряется в условных единицах карты;одна единица карты (сантиморганида) соответствует 1% рекомбинантных потомков. Основные закономерности рекомбинации были установлены при изучении всех шести сцепленных с полом признаков вместе. Индивидуальные расстояния на карте аддитивны. Иными словами, если два гена А и В находятся на расстоянии 10 ед. друг от друга, а расстояние от в до С равно 5 ед., то расстояние между А и С, полученное при прямом измерении, будет близко к 15. Поэтому гены можно расположить в линейном порядке.
Критическое значение для построения генных карт имеет тот факт, что расстояние между генами не зависит от использованных аллелей, а зависит только от положения генных локусов. Локус-это место в хромосоме, в котором находится ген данного признака. Все различные альтернативные формы гена, т.е. аллели, используемые при картировании, находятся в одном и том же локусе. Таким образом, генетическое картирование позволяет установить взаимную локализацию генных локусов, расположенных в хромосоме в определенном месте и в линейном порядке. В экспериментах по картированию один и тот же результат получается независимо от конкретной комбинации аллелей (рис.8). Стертевант заключил, что его результаты "служат новым доводом в пользу хромосомной теории наследственности, поскольку они убедительно показывают, по крайней мере математически, что исследуемые факторы расположены в виде линейных рядов".
Этот вывод представляет большой интерес. Можно построить генетическую карту, в которой хромосома будет изображена в виде линейного ряда генов. Однако это еще не доказывает, что генетическое содержание хромосомы представлено физически непрерывным рядом генов. Рассматривалось множество других моделей хромосомы, пока не стало очевидным, что хромосома состоит только из одной-единственной нити генетического материала.
Группа сцепления включает в себя все гены, которые прямо или опосредованно сцеплены между собой. Гены, расположенные рядом, сцеплены между собой прямо; гены же, отстоящие друг от друга более чем на 50 ед. карты, распределяются практически независимо. Поскольку сцепление действует на протяженном участке, каждый новый идентифицированный ген в организме можно поместить рядом с группой генов, уже картированных ранее. Таким образом, гены распадаются на дискретное число групп сцепления. Гены одной из групп сцепления всегда независимо комбинируются с генами других групп.
Число групп сцепления совпадает с числом хромосом. Относительная длина групп сцепления аналогична относительным размерам хромосом. На рис.11 в качестве примера рассматриваются хромосомы дрозофилы, у которых оказалось легко измерить длину. Сформулированная Менделем концепция гена как дискретного элементарного фактора наследственности может быть расширена в концепцию, рассматривающую хромосому как протяженную единицу, состоящую из многих генов. Физическое положение генов лежит в основе их генетического поведения.
Генетические карты непрерывны
На тех генетических картах высших организмов, которые были установлены в первой половине этого века, гены были расположены как бусы на нитке. Они были закреплены в определенном порядке, и генетическую рекомбинацию представляли как обмен соответствующими участками нитки между гомологичными хромосомами. При этом ген со всеми своими свойствами выступает как таинственный объект (бусинка), чье взаимоотношение с ее окружением (ниткой) совершенно не ясно.
Из-за небольшого числа потомков, получаемых в результате скрещивания, при построении рекомбинационных карт достигается лишь низкое разрешение.
Строение индивидуального локуса было исследовано в серии опытов с генами rll фага Т4, участвующими в лизисе бактериальной клетки. Мутации в этих генах вызывают быстрый лизис. Были подобраны такие условия опыта, когда при совместном инфицировании бактерий двумя гП-мутантами фага потомство образуется лишь при условии, что в результате рекомбинации мутантных фагов появится фаг дикого типа. Частота рекомбинации при этом также зависела от расстояния между мутациями, как и в случае эукариотической хромосомы.
Высокая разрешающая способность этого подхода, благодаря селективной методике, позволяет количественно оценить даже самые редкие рекомбинационные события, а это дает возможность измерять расстояние по карте для любой пары мутаций. (Единственным ограничением этого метода является частота обратных мутаций, или "реверсий", к дикому типу. Эта частота составляет примерно 0,0001%. Таким образом, чтобы достичь минимального уровня измерений, превышающего в 10 раз фон спонтанных мутаций, можно измерять только рекомбинационные частоты выше 0,001%)
Было проанализировано примерно 2400 мутаций, что дало возможность идентифицировать 304 различных мутантных сайта. (Если две мутации не рекомбинировали между собой, их принимали за две спонтанные мутации одного и того же генетического сайта) Исследованные мутации можно было расположить в линейном порядке. Из этого следовало, что сам ген имеет тот же линейный принцип устройства, что и гены в хромосоме. Из этих данных вытекает, что генетическая карта линейна как внутри генов, так и между ними, т.е. она представляет собой непрерывную последовательность, включающую в себя все гены.
Один ген - один белок
До 1945 г. было лишь известно, что гены - это основные единицы наследственности. Но каким путем они выполняют свою функцию, оставалось неясным. Гены можно было идентифицировать, только исходя из мутаций, вызывающих некоторые отклонения от нормы в фенотипе, причем степень отклонения варьировала от изменения одного признака (такого, как цвет глаз) до крайне резких морфологических перестроек, затрагивающих ряд тканей организма. Почти во всех случаях эффект мутации анализировали только на описательном уровне. Однако предполагали, что существует некоторая общая основа мутационных воздействий.
Идея о том, что действие мутационных факторов опосредовано ферментами, возникла почти одновременно с возрождением генетики. В работах, проведенных с 1902 по 1908 г., Геррод (Garrod) высказал мнение, что болезнь человека – алкаптонурия - обусловлена нарушением какой-то метаболической реакции, катализируемой ферментом. Его фраза - "врожденные ошибки метаболизма" - заключает в себе концепцию, согласно которой генетический дефект может привести к нарушению определенного метаболического процесса, обусловливая тем самым наблюдаемый фенотип. В последующие три десятилетия накопились примеры влияния специфических мутаций на определенные биохимические реакции. Основная трудность исследований этого периода состояла в том, что приходилось довольствоваться случайно отобранными мутациями, не всегда пригодными для биохимического изучения.
С помощью рентгеновского облучения были индуцированы мутанты Neurospora, не способные расти на минимальной среде. Биохимическую природу дефекта можно было установить. Для этого было достаточно определить, добавление какого именно вещества в среду позволяет расти мутантному штамму. У каждого мутанта блокирована определенная метаболическая стадия и каждой такой стадии у штамма дикого типа соответствовал один определенный фермент. Если какой-то субстрат утилизируется в результате целой серии метаболических реакций, мутация, нарушающая любую из этих реакций, может блокировать всю серию реакций. Об этом свидетельствует накопление метаболического предшественника того соединения, которое образуется на блокированной ступени синтеза. На рис.12 изображен пример пути биосинтеза глазного пигмента дрозофилы, последовательные этапы которого хорошо согласуются с рассмотренной выше схемой.
К 1945 г. результаты этого анализа легли в основу гипотезы: "Один генодин фермент". Согласно этой гипотезе, каждую метаболическую ступень катализирует отдельный фермент, за образование которого отвечает один ген. Мутация в гене может привести к потере активно?