Что изучает биохимическая генетика
Что изучает биохимическая генетика
Молекулярные болезни — вызванные как унаследованными, так и приобретенными мутациями.
Знание молекулярной патологии — основа рациональной терапии генетических болезней. Кроме того, такие знания часто оказываются полезными для понимания нормальной функции. Исследование фенотипа на уровне белков, биохимии и метаболизма составляет дисциплину биохимической генетики.
Генетическая болезнь развивается, если повреждение ДНК важного гена изменяет количество или функцию, или и то и другое в продуктах гена: в (мРНК) и белке. Моногенные нарушения — почти всегда результат мутаций, изменяющих функцию белка. Известно несколько исключений из этого правила, например мутации, обнаруженные в генах РНК, не кодирующих белки, включая митохондриальные гены, кодирующие тРНК; эти митохондриальные мутации тРНК могут приводить к серьезным неврологическим заболеваниям, поражающим мышцы или мозг.
Понимание патогенеза генетических болезней невозможно без знания первичных биохимических аномалий, вызываемых изменениями функции генов. К 2007 г. online версия каталога менделирующих признаков у человека (OMIM) содержала свыше 3900 болезней (как аутосомных, так и Х-сцепленных) с менделирующим типом наследования. Из них 3310 или около 85% вызваны мутациями в более чем 1990 генах, а идентификация новых генов болезней происходит еженедельно.
Хотя то, что основной молекулярный дефект обнаружен для такого большого числа заболеваний, и впечатляет, нужно понимать, что полностью патофизиологические процессы для любого генетического заболевания остаются непонятыми. Одно из наиболее хорошо изученных наследственных заболеваний — обсуждаемая в настоящей главе серповидноклеточная анемия, но даже здесь знания остаются неполными, несмотря на то что это первая молекулярная болезнь, обнаруженная более чем 50 лет тому назад.
Тем не менее исследование генетических болезней на различных фенотипических уровнях (ген, белок, клетка, ткань, целый организм) не только существенно обогатило медицинские знания, но так же привело к чрезвычайно многообещающему подходу к лечению наследственных заболеваний, включая белковую и генотерапию.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
биохимическая генетика
Смотреть что такое «биохимическая генетика» в других словарях:
биохимическая генетика — Раздел генетики, изучающий механизмы генетического контроля метаболизма химических соединений и других биохимических процессов; Б.г. является одним из разделов молекулярной генетики. [Арефьев В.А., Лисовенко Л.А. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика
Генетика — Фрагмент ДНК Генетика (от греч. γενητως … Википедия
Генетика — I Генетика (греч. genētikos относящийся к происхождению) наука о наследственности и изменчивости организмов. Термин предложен в 1906 г. английским биологом Бейтсоном (W. Bateson). Способность организма обеспечивать в ряду поколений… … Медицинская энциклопедия
Генетика человека — отрасль генетики, тесно связанная с антропологией и медициной. Г. ч. условно подразделяют на антропогенетику, изучающую наследственность и изменчивость нормальных признаков человеческого организма, и генетику медицинскую (См. Генетика… … Большая советская энциклопедия
биохимическая конкуренция — «Соревнование» двух молекул за присоединение к определенному сайту третьей молекулы, в частности, К. между лигандами за рецептор, например, К. фолиевой кислоты и аминоптерина за активный центр дигидрофолатредуктазы. [Арефьев В.А.,… … Справочник технического переводчика
биохимическая мутация — Мутация, лишающая организм (клетку) способности синтезровать какое либо вещество; обычно биохимических мутантов называют ауксотрофами. [Арефьев В.А., Лисовенко Л.А. Англо русский толковый словарь генетических терминов 1995 407с.] Тематики… … Справочник технического переводчика
ГЕНЕТИКА — Раздел биологии, изучающий наследственность и изменчивость. Включает ряд направлений: по объекту исследований (человек, животные, растения, микроорганизмы); уровню объектов исследований (популяция, организм, клетка); по подходам (биохимическая,… … Термины и определения, используемые в селекции, генетике и воспроизводстве сельскохозяйственных животных
генетика биохимическая — раздел Г., изучающий механизмы генетического контроля биохимических процессов … Большой медицинский словарь
генеративные органы — * генератыўныя органы * generative organs органы, предназначенные для осуществления функции полового размножения. В них формирую я половые клетки гаметы. Термин чаще применяют к органам растений. Напр., Г. о. у цветковых растений являются цветки … Генетика. Энциклопедический словарь
biochemical genetics — biochemical genetics. См. биохимическая генетика. (Источник: «Англо русский толковый словарь генетических терминов». Арефьев В.А., Лисовенко Л.А., Москва: Изд во ВНИРО, 1995 г.) … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
БИОХИМИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА
БИОХИМИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА — раздел генетики, изучающий механизмы генетического контроля биохимических процессов, выделился в самостоятельное направление при переходе генетических исследований на молекулярный уровень. Б. г. изучает: химическую природу гена; молекулярный «смысл» записи генетической информации; молекулярный «смысл» мутаций и рекомбинаций на уровне гена; механизмы передачи генетической информации в процессе белкового синтеза и регуляции этого процесса; молекулярную природу формирования наследственного признака. Объектом исследования Б. г. являются все живые организмы от вируса до человека включительно. Методология Б. г. базируется на совокупности генетических и биохимических принципов исследования [методов генетического анализа (см.), методов молекулярной биологии при изучении выражения признаков, методов химии белков для изучения последовательности аминокислот в них и выяснения характера повреждения белков при наследственной патологии и т. д.].
Первые данные, доказывающие биохимическое различие между индивидами, были получены К. Ландштейнером (1900) на примере биохимической специфичности групп крови у человека. Несколько позже, в 1909 г., Гаррод (A. Garrod) опубликовал монографию «Врожденные ошибки метаболизма», положив тем самым начало Б. г. болезней человека. Гаррод вскрыл химическую природу алкаптонурии (см.), показав, что с мочой больных этой болезнью выделяется алкаптон (гомогентизиновая к-та). Больные этой болезнью являются гомозиготными носителями пары мутантных рецессивных генов (см. Менделя законы), определяющих недостаточность фермента оксидазы гомогентизиновой к-ты.
Переломным этапом в развитии Б. г. явилось использование микроорганизмов в качестве объектов исследования. Преимущество микроорганизмов для генетических исследований определяется следующими обстоятельствами: а) одноклеточное строение; б) быстрота смены генераций, что позволяет изучать генетические события, протекающие с низкой частотой (рекомбинация, трансформация); в) возможность анализировать одновременно большое количество особей; г) исключительная простота культивирования и селекции на искусственных питательных средах, а также наличие гаплоидного набора хромосом. Основные принципы изучения природы бактериальных мутантов были предложены Бидлом и Тейтемом (G. W. Beadle, E. L. Tatum, 1941). Объект их исследований — плесень нейроспора — может расти на минимальной среде, т. е. среде, состоящей только из воды, некоторых солей и глюкозы, только в том случае, когда ни один из путей ее метаболизма не был блокирован в результате какого-либо мутационного изменения. Если такая мутация возникает, то рост возможен при условии добавления в минимальную среду вещества, синтез к-рого заблокирован. Варьируя добавляемыми к минимальной среде веществами, можно определить, в каком из звеньев цепи биосинтеза у данного мутанта имеется нарушение.
Из 68 000 штаммов нейроспоры Бидл и Тейтем выделили 380 мутантов, большинство из которых для своего роста требовали или разных аминокислот и витаминов, или предшественников биосинтеза нуклеиновых кислот. Биохимическая идентификация этих мутантов позволила выяснить основные этапы синтеза аминокислот, сахаров, нуклеиновых кислот и т. д. В качестве примера можно привести изучение цепи биосинтеза аргинина. Известно, что у млекопитающих предшественниками биосинтеза аргинина являются орнитин и цитруллин. В опытах с различными аргининзависимыми мутантами нейроспоры установлено, что одни из них растут на среде с орнитином и цитруллином, а другие — только с цитруллином. Следовательно, последовательность синтеза аргинина должна быть следующей: орнитин — цитруллин — аргинин.
На основании подобных экспериментов Бидл и Тейтем сформулировали один из основных принципов Б. г.: «один ген — один фермент», т. е. каждый биохимический признак организма генетически детерминирован, и синтез каждого фермента (белка) контролируется определенным геном. Позже эта формулировка была уточнена: «один ген — одна полипептидная цепь», т. к. синтез ферментов и неферментных белков (гемоглобин), состоящих из нескольких полипептидных субъединиц, кодируется несколькими генами. За эти работы Бидл и Тейтем были удостоены Нобелевской премии.
Для изучения метаболизма некоторых биологически важных соединений, в частности витаминов и пигментов, широко используются ауксотрофные мутанты (см. Ауксотрофные микроорганизмы). Ауксотрофные мутанты кишечной палочки в ряде стран нашли применение для идентификации ряда наследственных заболеваний у человека. Д. М. Гольдфарб (1968) предложил метод использования ауксотрофных мутантов для тотальной проверки новорожденных на избыточное присутствие в их крови некоторых аминокислот. Если на минимальной среде, на поверхность к-рой наносится капля исследуемого материала, отмечается рост зависимых по какой-нибудь аминокислоте мутантов, то это указывает на присутствие в материале аминокислоты, а следовательно, и на нарушение аминокислотного обмена у новорожденных. Различный уровень зависимости мутантов по аминокислоте позволяет ориентировочно судить о количестве аминокислоты в материале. При необходимости ребенок подвергается более подробному обследованию (см. Гатри метод).
Принципиальным для Б. г. явился вопрос сцепленности генов, продукты деятельности которых составляют единую цепь биосинтеза. Американский ученый Хартман (F. Hartman) показал, что гены, контролирующие биосинтез гистидина, располагаются на генетической карте в порядке, примерно соответствующем стадиям его биосинтеза. Однако соответствие между сцепленностью генов и близостью звеньев цепи биосинтеза не является твердым правилом как для микроорганизмов, так и для высших животных, в т. ч. человека. Явление группировки генов послужило основой для вывода, что гены в организме работают слаженно и функционирование их регулируется во времени.
Функция генов (названных структурными) регулируется продуктами других генов, обозначенных как регуляторные. Сумма структурных и регуляторных генов составляет функциональную единицу, получившую название оперон (см.).
Синтез полипептидной цепи включает две основные стадии — транскрипцию (см.) генетической информации и ее трансляцию (см.). Генетическая информация записана в молекулах ДНК в виде специфической последовательности четырех нуклеотидов. Согласно модели Дж. Уотсона и Ф. Крика ДНК состоит из двух антипараллельных цепей, обозначаемых как правая и левая (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты). Цепь ДНК, с к-рой осуществляется списывание генетической информации, называют транскрибируемой. В разных генах транскрибируемой может быть как правая, так и левая цепь ДНК. Переход транскрипции с одной цепи ДНК на другую является одним из способов регуляции действия генов. Принципиальная возможность существования такой регуляции впервые доказана советским ученым Р. Б. Хесиным (1962).
Большие успехи Б. г. связаны с выяснением молекулярных основ наследственной патологии у человека. Напр., показано, что изменение в гемоглобине, приводящее к серповидноклеточной анемии, обусловлено заменой в β-цепи измененного гемоглобина аминокислотного остатка глутаминовой к-ты на аминокислоту валин (см. Гемоглобин, Гемоглобинопатия). Уже идентифицированы на уровне отдельных аминокислотных замен 98 точечных мутаций в полипептидных цепях гемоглобинов.
Одной из задач Б. г. является выделение и изучение индивидуальных генов, а также их лабораторный синтез. Удалось выделить в чистом виде лактозный оперон кишечной палочки [Беквит с сотр. (I. Beckwith u. а.)]. Возможность такого выделения основана на том, что два разных некомплементарных трансдуцирующих фага (см. Трансдукция) включали в состав своих ДНК один и тот же участок бактериального генома (см.), в данном случае оперон, кодирующий синтез лактозы. После этого ДНК этих фагов становились комплементарными, но только по включенному участку (см. Мутационный анализ). Используя это обстоятельство, удалось освободиться от некомплементарного материала и выделить чистый оперон. В дальнейших исследованиях удалось выделить отдельные гены синтеза рибосомной РНК (р-РНК) и транспортной РНК (т-РНК).
Выделение индивидуальных генов высших организмов является более трудной задачей, т. к. ДНК этих организмов содержат очень много генов. Однако в клетках, синтезирующих специфические белки, оказалось возможным выделить информационную РНК (и-РНК), комплементарную нек-рым генам. Впервые чистая и-РНК была выделена из незрелых эритроцитов, 95% белкового синтеза которых приходится на гемоглобин. В структуре некоторых вирусов (напр., в вирусе миелобластоза птиц) был обнаружен специфический фермент, который в определенных условиях был способен синтезировать ДНК на комплементарной ей РНК. Эти достижения позволили (1972) осуществить ферментативный синтез индивидуального гена высшего организма с помощью РНК-зависимой ДНК-полимеразы на матрице и-РНК гемоглобина [Балтимор и Шпигельман (D. Baltimore, S. Spiegelman)].
В наст, время на базе Б. г. начало развиваться новое и очень перспективное направление современной биологии — генная инженерия (см.), ставящая своей задачей поиски путей излечения наследственных заболеваний путем введения «здоровых» генов (см. Генотерапия).
В СССР научно-исследовательская работа по Б. г. ведется на кафедрах биохимии и педиатрии мединститутов, на кафедрах биохимии университетов, в лабораториях биохимической генетики научно-исследовательских институтов. Наиболее широко исследования по Б. г. проводятся в Ин-те общей генетики АН СССР, институтах экспериментальной медицины и медицинской генетики АМН СССР, в Ин-те цитологии и генетики СО АН СССР. Общетеоретические вопросы Б. г. разрабатываются в целом ряде специализированных биол, и хим. институтов.
За рубежом исследованиями по Б.г. занимаются в специализированных биохимических и клинических лабораториях при университетах и госпиталях. В ЧССР — Ин-т органической химии и биохимии, во Франции — Национальный центр научных исследований, в США — Ин-т молекулярной биологии, Массачусетский технологический ин-т, а также некоторые другие научные центры и университеты.
В Англии вопросы Б. г. разрабатываются в специализированных центрах (The Galton Laboratory, London; The London Hospital Medical College).
Библиография: Актуальные вопросы современной генетики, под ред. С. И. Алиханяна, М., 1966; Вагнер Р. Ф. и Митчелл X. К. Генетика и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958, библиогр.; Хейс У. Генетика бактерий и бактериофагов, пер. с англ., М., 1965; G а г г о d А. E. Inborn errors of metabolism, L., 1963; Harris H. An introduction to human biochemical genetics, Cambridge, 1953; о н ж e, The principies of human biochemical genetics, Amsterdam — L., 1970, bibliogr.
Периодические издания — Генетика, М., с 1965; Успехи современной генетики, М., с 1967; Annals of Human Genetics, JI., с 1956 (1940—1955 — Annals of Eugenics); Biochemical Genetics, N. Y., с 1967; Clinical Genetics, Copenhagen, с 1970; Genetical Research, L., с 1960; Genetics, Baltimore, с 1916.
БИОХИМИЧЕСКИЙ ПОДХОД В ГЕНЕТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ ЧЕЛОВЕКА
Впервые эти методы стали применять для диагностики генных болезней еще в начале XX в. В последние 30 лет их широко используют в поиске новых форм мутантных аллелей. С их помощью описано более 1000 врожденных болезней обмена веществ. Наиболее распространенными среди таких заболеваний являются болезни, связанные с дефектностью ферментов, структурных, транспортных или иных белков. Для исследования берут кровь, лимфу, мочу, слюну, пот, околоплодные воды. В них изучают структуру белков, промежуточные продукты обмена веществ, определяют активность ферментов.
Дефекты структурных и циркулирующих белков выявляются при изучении их строения. Установлено большое разнообразие гемоглобинов у человека, связанное с изменением структуры его пептидных цепей, что нередко является причиной развития заболеваний.
Дефекты ферментов устанавливают путем определения содержания в крови и моче продуктов метаболизма, являющихся результатом функционирования данного белка. Дефицит конечного продукта, сопровождающийся накоплением промежуточных и побочных продуктов нарушенного метаболизма, свидетельствует о дефекте фермента или его дефиците в организме.
Диагностика нарушений обменных процессов биохимическими методами проводится двумя этапами.
Первый этап: проводится отбор предположительных случаев заболевания.
На этом этапе используют 2 вида программ диагностики: массовые и селективные.
Массовые просеивающие программы применяют для диагностики у новорожденных таких заболеваний как фенилкетонурия, врожденный гипотериоз, муковисцедоз, галактоземия. Например, для диагностики фенилкетонурии кровь новорожденных берут на 3-5 день после рождения. Капли крови помещают на хроматографическую или фильтровальную бумагу и пересылают в лабораторию для определения фенилаланина.
Для определения врожденного гипотереоза в крови ребенка на 3 день жизни определяют уровень тироксина. Просеивающая программа массовой диагностики наследственных болезней применяются не только среди новорожденных. Они могут быть организованны для выявления тех болезней которые распространены в каких либо группах населения. Например с США организована просеивающая биохимическая программа по выявлению гетерозиготных носителей болезни Тея-Сакса. На Кипре и в Италии организовано биохимическое исследование гетерозиготных носителей талассемии.
Селективные диагностические программы предусматривают проверку биохимических аномалий обмена у пациентов с подозрением на генные наследственные болезни.
В селективных программах могут использоваться простые качественные реакции (например, тест с хлоридом железа для выявления фенилкетонурии или тест с динитрофенилгидрозином для выявления кетокислот в моче) или более точные методы. Например, с помощью тонкослойной хроматографии мочи и крови можно диагностировать наследственные нарушения обмена аминокислот и мукополисахаридов. С помощью электрофореза гемоглобинов диагностируется вся группа гемоглобинопатий.
Второй этап: уточняется диагноз заболевания более точной и сложной методикой.
На этом этапе, применяя методы тонкослойной хроматографии мочи и крови, можно выявить более 140 наследственных болезней обмена веществ, такие как болезни углеводного обмена, лизосомальные болезни накопления, болезни обмена металлов, аминоацидопатии и т.д.
Применение биохимических исследований для диагностики заболеваний в пренатальном периоде или непосредственно после рождения позволяет своевременно выявить патологию и начать специфические медицинские мероприятия, как, например, в случае фенилкетонурии.
Для определения содержания в крови, моче или амниотической жидкости промежуточных, побочных и конечных продуктов обмена кроме качественных реакций со специфическими реактивами на определенные вещества используют хроматографические методы исследования аминокислот и других соединений.
Биохимический метод генетики может иметь множество видов.
Все они делятся на две группы:
Биохимические методы, в основе которых лежит выявление определенных биохимических продуктов. Это обусловлено изменениями действий различных аллелей.
Метод, который основывается на том, чтобы непосредственно выявить измененные нуклеиновые кислоты и белки при помощи гель-электрофореза в сочетании с другими методиками, такими как блот-гибридизация, авторадиография.
Биохимический метод помогает выявить гетерозиготные носители различных заболеваний. Мутационные процессы в человеческом организме ведут к появлению аллелей и к хромосомным перестройкам, которые плохо влияют на здоровье человека.
Использование биохимического метода оказалось эффективным в решении диагностических задач и выяснении существенных звеньев патогенеза обширной группы наследственных болезней обмена веществ: аминокислот (альбинизм, фенилкетонурия), углеводов (гликогенозы, глюкозурии, галактоземия), липидов (липидозы, семейная гиперхолистеринемия), стероидных гормонов (адреногенитальный синдром), эритрона (гемолитические анемии), пуринов и пиримидинов (синдром Криглера-Найяра), металлов (болезнь Вильсона-Коновалова), лизосомных болезней (мукополисахаридозы), пероксисомных болезней (синдром Цельвегера) и др.
Также биохимические методы диагностики позволяют выявить различные полиморфизмы и мутации генов. Усовершенствование биохимического метода и биохимической диагностики в наше время помогает выявить и подтвердить большое количество различных нарушений обменных процессов организма.
Основы биохимической генетики
Лекция 7 Основы биохимической генетики
Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика – это наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 г., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь «врожденной ошибкой метаболизма». Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.
В 1914 г. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.
Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.
Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.
Порфирия – болезнь крупного рогатого скота, возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин – это обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его – это последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). Если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота, голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.
Перечисленные болезни относят к ферментопатиям.
В 1950 г. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).
Рекомендуемые файлы
Кодом наследственности или гентическим кодом называется процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США.
Колинеарность генетического кода
Аминокислоты в полипеп. цепи
Свойства генетического кода
1. Генетический код универсален – един для всех организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека).
2. Код триплетный. Месторасположение каждой аминокислоты кодируется сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в мРНК, образующих один специфический кодон.
3. Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом – метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).
4. Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении – от 5′ к 3′, триплет за триплетом.
5. Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5′, является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.
6. Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.
В каждой клетке в молекулах ДНК закодирована вся генетическая информация, которая может быть реализована в онтогенезе через биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и морфологических признаков.
Один из важнейших подходов к биохимической генетике – индукция, выделение и изучение мутантов (на примере дрожжей, бактерий). Выход мутантов можно увеличить с применением пенницилина, который препятствует синтезу клеточной стенки у бактерий и воздействует только на активно делящиеся клетки. Если клетки, выжившие после мутагенного воздействия, инкубировать в искусственной среде, прототрофы начнут расти и делиться. Подобные методы существуют и для одноклеточных и нитчатых грибов.
В изучении биохимической природы мутаций можно выделить три уровня:
а) проверка способности мутантов использовать известные или предполагаемые промежуточные продукты метаболического пути синтеза аргинина,
б) изучение накопления или выделения промежуточных продуктов биосинтетического пути в мутантных клетках,
в) точная идентификация нарушения метаболизма путем прямого исследования ферментов биосинтеза.
Например, мутанты, у которых нарушено использование глюкозы, обнаруживают следующим образом: после мутагенной обработки культуру высевают на индикаторную среду, содержащую лактозу, а также красители эозин и метиленовый синий (ЭМС). Колонии, которые могут расщеплять лактозу, окрашиваются красителями в красновато-зеленый цвет, а мутантные клетки не окрашиваются и образуют маленькие белые колонии. Соответствующие мутации можно отнести к одному гену (z) – структурному гену бетта-галактозидазы.
Применение цис-транс-теста к мутациям позволяет провести их генетико-биохимический анализ.
2. Если два мутантных генома, утративших одну и ту же функцию поместить в общую цитоплазму, то конечный фенотип культуры будет мутантным.
3. Если в общую цитоплазму ввести два мутантных генома, у которых нарушены разные функции, то фенотип культуры будет диким.
Применение цис-транс-теста позволяет определить генетическую функциональную единицу, цистрон. Этот термин был предложен в 1957 г. Бензером. Как правило, термины «ген» и «цистрон» синонимичны, и их можно использовать как взаимозаменяемые.
Метод, позволяющий определить последовательность оснований во фрагментах ДНК, разработанный Максамом и Гилбертом в 1977 г. При работе этим методом ДНК расщепляют, удаляя из нее четыре разных основания. Для удаления оснований используют следующие реакции.
а. Реакция с диметилсульфатом в кислой среде. При этом происходит преимущественно удаление гуанина по сравнению с аденином.
б. Реакция с диметилсульфатом в присутствии NaCl. При этом удаляется преимущественно аденин.
в. Реакция с гидразином в присутствии пиперидина. При этом удаляются тимин и цитозин.
Фрагмент ДНК метят по концам 32Р и обрабатывают в таких условиях, чтобы атаке подверглось только одно из ста оснований. В результате образуется ряд фрагментов, соответствующих скажем, расщеплению по каждому аденину. Полученные фрагменты разделяют по длине и, следовательно, по положению удаленных оснований с помощью гель-электрофореза. Одновременный электрофорез препаратов, полученных при четырех различных воздействиях, позволяет исследователю прочитать последовательность оснований ДНК. Этот метод дает возможность расшифровать последовательности длиной до 100 нуклеотидов; для расшифровки более длинных фрагментов необходимо разрезать исходный фрагмент фрагментами рестрикции, расшифровать образующиеся куски по отдельности и затем построить общую картину.
Общий состав генома любого организма можно изучать, исследуя кинетику реассоциации. При использовании этого метода ДНК нарезают на фрагменты длиной примерно 300 пар оснований и денатурируют нагреванием при 960 С. При понижении температуры комплементарные одноцепочечные фрагменты могут реассоциировать. Кинетику этого процесса прослеживают спектрофотометрически или путем выделения двухцепочечных молекул на гидроксиапатите. Скорость реассоциации зависит от степени повторяемости данной последовательности в образце. Исследования показали, что 30% генома составляют относительно простые последовательности. Остальные 70% генома состоят из уникальных последовательностей.
Гилберт предложил называть последовательности, которые входят в состав зрелой м РНК, экзонами, так как они экспрессируются, а те промежуточные последовательности, которые хотя и транскрибируются, но затем вырезаются из транскрипта до того, как он выходит из ядра, интронами.
Детерминация пола и механизм его наследования
В ходе эволюции у большинства раздельнополых организмов сформировался механизм детерминации пола, обеспечивающий образование равного количества самцов и самок, что необходимо для нормального самовоспроизведения видов. Детерминация пола может происходить на разных этапах размножения. Различают три основных типа половой детерминации:
1) эпигамный, когда пол особи определяется в процессе онтогенеза. Детерминация пола в данном случае значительно зависит от внешней среды (самцы морского червя живут в матке самки, если личинка оседает на дно, то превращается в самку, а если проникнет в тело самки – в самца);
2) прогамный, когда пол будущего дочернего организма определяется в ходе гаметогенеза у родителей особи (коловратки, тля, кольчецы);
3) сингамный, при котором пол дочерней особи определяется в момент слияния гамет с образованием зиготы. Это наиболее распространенный тип детерминации пола, характерный для всех видов животных.
При прогамном и сингамном типах детерминации пол зависит от определенных половых хромосом.
У самок млекопитающих в диплоидном наборе хромосом выделяют последнюю пару одинаковых по форме половых хромосом, обозначаемых ХХ-хромосомами (гомогаметный пол). Самцы в кариотипе содержат Х- и Y –хромосомы (гетерогаметный пол – два типа гамет). Самцов обычно рождается на несколько процентов больше, чем самок, но в ходе эволюции повышена смертность самцов.
У дрозофилы возникновение пола зависит не только от присутствия половых хромосом, но и от соотношения аутосом. Это балансовая теория определения пола К.Бриджеса (1919). Все особи с балансом хромосом (или половым индексом) Х:А=1 – самки, Х:2А=0,5 – самцы. Баланс хромосом от1 до 0,5 определяет промежуточное развитие пола, то есть интерсексуальность. Соотношение 3Х:2А=1,5 ведет к развитию сверхсамок. Х+Y:3А=0,33 определяет развитие сверхсамцов. Гинандроморфы – насекомые у которых одни участки тела женские, а другие – мужские.
Организмы обладают бисексуальностью, то есть способностью при определенных условиях формировать женский или мужской пол. У крупного рогатого скота иногда рождаются двойни. В случае разнополых близнецов бычки развиваются нормально, а телочки в 95% случаев оказываются интерсексами (наружные гениталии женского типа, а внутренние органы – мужского). Таких животных называют фримартинами; они всегда бесплодны. Существует две теории образования фримартинов: гормональная и клеточная. Поскольку мужской гормон тестостерон начинает продуцироваться раньше, то длительное воздействие на женские половые органы приводит к недоразвитию последних. Присутствие Y-хромосомы в кариотипе телок-фримартинов и изменение у них признаков в сторону мужского пола – явное свидетельство ее влияния на половые признаки. Цитогенетический анализ является надежным методом ранней диагностики фримартинизма у телок.
У домашних животных существуют разные формы интерсексуальности, которые объединяются под названием гермафродитизм.
Диагностику пола интерсексов и гермафродитов впервые определил Барр М. в 1949 г. на основании обнаружения телец Барра или полового хроматина в ядре клеток. Это тельце встречается только в ядрах клеток самок. Количество телец Барра всегда на единицу меньше числа Х-хромосом. Так, если у самок обнаруживают два тельца Барра, то они являются носителями трисомии по Х-хромосоме. Если половой хроматин отсутствует, то у особи женского пола имеется только одна Х-хромосома. Если у самца обнаруживают тельце Барра, Это значит, что у него в кариотипе не одна, а две Х-хромосомы.
Наследственные аномалии животных, сцепленные с полом.
У сельскохозяйственных животных установлено несколько форм врожденных аномалий, обусловленных генами, локализованными в половых хромосомах. Как правило, они имеют рецессивный характер проявления, и при этом поражаются преимущественно особи гетерогаметного пола – у млекопитающих самцы, у птиц – самки. Сцепленные с полом летальные и сублетальные аномалии изменяют численное соотношение полов при рождении или после него вследствие гибели или браковки у млекопитающих самцов, у птиц – самок. Например, установлена такая аномалия, как врожденная деформация передних конечностей в сочетании с анкилозом суставов, изученная у животных черно-пестрой, сычевской и костромской пород, проявляется, как правило, у бычков, родственных между собой, что указывает на сцепленное с полом наследование. У собак обнаружено заболевание геофилией. Явление гемофилии заключается в утрате кровью нормальной способности к свертыванию. Симптомы гемофилии обычно проявляются впервые у щенят в возрасте от шести недель до трех месяцев. В число обычных симптомов входят: хромота (следствие кровоизлияний в суставы), сильная подкожная припухлость и в конечном итоге паралич одной или нескольких конечностей. Небольшие царапины могут оказаться для щенят-гемофиликов смертельными.
Передача через половые хромосомы признаков, сцепленных с Х- и Y-хромосомами, указывает на то, что на особь мужского пола большее влияние оказывает наследственность матери и ее предков, передавших Х-хромосому, которая является носителем генов для ряда признаков. Наследственность же отца, передавшего сыну Y-хромосому, генетически малоактивна.
Проблема регуляции пола у сельскохозяйственных животных
В молочном скотоводстве более желательным является рождение телочек, а в мясном – бычков. В яичном птицеводстве экономически выгодно получать больше курочек, а в мясном – петушков. С тонкорунных баранов настригают вдвое больше шерсти, чем с овец, оленьи панты можно получить только у самца. У тутового шелкопряда самцы дают на 25-30% больше шелка, чем самки, поэтому их преимущество очевидно. Регуляция соотношения полов у млекопитающих может быть достигнута такими путями:
4. Центрифугирование спермы перед осеменением. Х-спермии будут на дне центрифужной пробирки, а Y–спермии – сверху.
5. Фракционирование спермиев по количеству ДНК и по их антигенному составу.
6. Учет возраста спариваемых особей. С возрастом родителей заметно снижается рождение самок (их было мало получено и от годовалых животных). При спаривании кур шестимесячного возраста выход самок был низким (27-33%), в потомстве же десятимесячных родителей он составил 47,5%, а двенадцатимесячных – 49,7%.
7. Метод программирования будущих детей относительно менструального цикла(Ф.Бенендо, 1970). Если спермии попадут в половые органы женщин за 4 дня (12-14 день после начала менструации) до овуляции (выхода зрелой яйцеклетки из яичника в матку), то в 84,7% случаев рождаются девочки, а если сразу после овуляции, то в 86,6% случаев рождаются мальчики.
У других видов продуктивных животных используют такое явление как партеногенез. Партеногенез – это развитие зародыша, а потом и организма без оплодотворения. Различают гиногенез и андрогенез. Гиногенез – это развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки, характерное для серебристого карася, так как в икринку проникает спермий другого вида; для некоторых пород кур и индеек. Андрогенез – это развитие потомков только за счет ядер спермиев, слитие которых происходит в яйцеклетке с утраченным ядром. Это характерно для тутового шелкопряда, паразитический осы, когда особи обладают только признаками отцовского вида. Разрушение ядер яйцеклетки в таком случае проводят рентгеновскими лучами (Б.Л. Астауров).
Генетические методы раннего распознавания пола.
В птицеводстве используют сцепленную с полом окраску перьев для различения пола у суточных цыплят. Скрещивали золотистых петухов с серебристыми курами. Из яиц вылуплялись желтые цыплята – это курочки, другие зеленовато-белые – это петушки.
Используя явление сцепленного сполом наследования, Пеннет в Англии создал породу кур камбар. Петушки более светлой окраски, чем курочки (пятнистый рисунок). А.С.Серебровский изучил признак полосатости у кур и установил, что он детерминирован геном, локализованным в половой хромосоме. У петушков имелись темные пятна, у курочек – нет. Эти различия обуславливаются доминантным геном В, локализованным в половой хромосоме. Наследственный детерминизм в окраске был найден у гусей – один пол белый, другой серый. Существует метод распознавания цыплят по строению клоаки. У крупных малоплодных животных разработаны методы раннего определения пола, основанные на микрохирургическом получении клеток трофобласта у эмбриона или взятия амниотической жидкости с последующим цитогенетическим анализом состава половых хромосом.