Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВО «Сочинский государственный университет»
Факультет туризма, сервиса и спорта
Кафедра физической культуры и адаптивных технологий
Регистрационный номер ______________________
Дата регистрации ____________________________
Методист ___________________________________
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ:
Основы генетики
ВАРИАНТ 18
Работу выполнил (а):
студент (ка) _________________________
курса гр. ___________________________
Работу проверил (а): к. с.-х. н., доцент
Проверена _____________________________________
(дата и подпись руководителя)
Сочи 2016
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений …………………………………………………………. 3
1. Достижения в области генетики последнего времени: определение числа генов у человека, составление генетических карт хромосом, причины мутирования генов……………………………………………... 4
Введение ……………………………………………………………………... 4
1.1. Определение числа генов у человека ………….…………………….... 5
1.2. Составление генетических карт хромом ………………………............ 7
1.3. Причины мутирования генов ……………………….……………….... 10
2. Генетическая роль ДНК и РНК. Типы, строение, функции ……… 13
Список литературы ……………………………………………………….... 17
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота
МГЭ - мобильные генетические элементы
РНК - рибонуклеиновая кислота
мРНК - матричная рибонуклеиновая кислота
мяРНК - малая ядерная рибонуклеиновая кислота
рРНК - рибосомная рибонуклеиновая кислота
тРНК - транспортная рибонуклеиновая кислота
Достижения в области генетики последнего времени: определение числа генов у человека, составление генетических карт хромосом, причины мутирования генов.
Введение.
На протяжении всей истории своего существования генетика, как научная дисциплина, прошла несколько этапов развития. Знаковым событием для современной генетики стало синтезирование в 1969 г. научно-исследовательской группой первого искусственного гена, а также одновременное с этим развитие генной инженерии, как совокупности методов изменения нуклеиновых кислот в живых организмах. Сопутствующее этим событиям развитие техники рекомбинантной ДНК позволило провести клонирование многочисленных генов различных организмов, подробно изучить молекулярно-генетические механизмы многих физиологических процессов и патологических изменений, окончательно убедиться в универсальности генетического кода [5, 8].
Вышеперечисленные процессы становления генетики непосредственно предшествовали современному этапу ее развития, получившему в литературе название «постгеномная эра». Началом данного этапа считается 2003 год, когда вышел первый релиз полной последовательности ДНК генома человека. Это научное достижение перевело исследования в области генетики на качественно новый уровень, позволив создать геномные базы данных. «Постгеномная эра» ознаменовалась комплексом систематизированных данных о строении нуклеиновых кислот, их связи с теми или иными физиологическими и патофизиологическими особенностями, мутациями, что позволило существенно продвинуться в сфере поиска и подробного описания физиологических особенностей организма и его патологических состояний.
Одними из наиболее значимых современных достижений в области генетики стали: определение числа генов у человека, составление генетических карт хромосом и выявление причин мутирования генов. Особенно важным является тот факт, что все перечисленные достижения имеют не только фундаментальную научную, но и высокую прикладную значимость для развития современной медицины [2, 6].
1.1.Определение числа генов у человека.
Задача определения числа генов у человека является одной из наиболее значимых для современной генетики. Исследования по определению генов и установлению их числа стали особенно актуальны после получения учеными значительной информации о структуре генома человека. Несмотря на очевидный прогресс в этой области, вопрос о точном числе генов у человека пока не является однозначно решенным. Так, первоначально предполагали, что их около 80-100 тысяч. Затем, в ходе проведения научных изысканий, был сделан вывод о наличии не более 50-60 тысяч генов в геноме человека, и их доля составляет около 3% длины ДНК [1, 7].
Наиболее современные исследования по определению общего числа генов у человека проводили почти параллельно несколько международных групп ученых. По результатам научно-исследовательского проекта частной компании «Celera Genomics» во главе с американским ученым Крейгом Вентером, проводившегося с 1998 по 2001 гг., человеческий геном состоит из 26383-39114 генов. Для проведения исследования применяли особый метод фрагментации человеческого генома, получивший название «метод дробовика». Данные результаты были опубликованы в журнале «Science» в 2001 году.
Приблизительно такой же результат получила на основании собственных данных группа ученых из Национального института геномных исследований США по руководством Френсиса Колинза, проводившая подсчет общего числа генов человека в рамках международного научно-исследовательского проекта «Геном человека». Согласно результатов их исследования в геноме каждой клетки человеческого организма содержится около 32 тысяч генов. Результаты исследований этой команды ученых были опубликованы в журнале «Nature» в 2001 году.
Необходимо отметить, что описанные выше исследования являются одними из наиболее известных геномных проектов, направленных на секвенирование ДНК человеческого организма. Но уже в 2004 году учеными из Международного консорциума по секвенированию человеческого генома были опубликованы новые результаты исследований, по данным которых общее число генов в человеческом геноме колеблется от 20 до 25 тысяч. При этом, нужно отметить, что при планировании исследовательского проекта «Геном человека», исследователи ориентировались на 2 миллиона генов, как на наиболее вероятное число в геноме человека [4, 9].
Несмотря на то, что результаты описанных выше исследований считаются достаточно достоверными, и признаны ведущими генетиками, существуют альтернативные мнения о числе генов у человека. Так, по данным ученых, работающих в частной фирме «Human Genom Science», существует 120 тысяч человеческих генов. Эта информация пока считается коммерческой тайной, поэтому не подлежит проверке представителей широкого круга научного сообщества. По этой же причине нет возможности проверить утверждения представителей частной компании «Inside» о том, что в их распоряжении есть каталог из 140 тысяч определенных генов человека [2].
Подобные разногласия и нестыковки в определении общего числа генов в человеческом геноме во многом связаны с тем, что гены имеют сложное и многообразное строение, варианты которого в настоящее время полностью не определены. Например, определенная последовательность ДНК, вероятно, способна кодировать не один, а несколько белков, и установить это зачастую весьма затруднительно. Несмотря на это, структура генома является основой развития новых направлений современной генетики: транскриптомика, изучающая совокупность РНК-транскриптов организма; протеомика, исследующая совокупность белков организма; метаболомика, основной задачей которой является изучение обмена веществ в организме. Данные направления дополняют метод геномного секвенирования, который лежит в основе структурной геномики.
В настоящее время доказано, что из одного гена за счет процесса, получившего название «альтернативный сплайсинг» возможно образование трех разных пептидов, а из некоторых генов до 10 различных белков. Кроме того, ряд генов кодируют не определенные белки, а РНК. Все перечисленные выше обстоятельства в настоящее время делают практически невозможным определение точного числа генов у человека. Исследования в этом направлении продолжаются и по сей день [4, 9].
1.2.Составление генетических карт хромосом.
Генетическая карта хромосом – это схема относительного взаимного расположения структурных генов, регуляторных элементов и генетических маркеров, входящих в состав одной хромосомы и принадлежащих к одной группе сцепления. Построение генетических карт получило название генетического картирования. Для составления карты хромосомы необходимо идентифицировать точное число групп сцепления, определить принадлежность гена к конкретной группе сцепления. Кроме того, необходимо установить расположение гена хромосомы относительно других ее генов.
Впервые генетические карты хромосом были построены в ходе экспериментов Т. Моргана в 1913-1915 гг. При проведении своих исследований для генетического картирования он определял частоту кроссинговера между хромосомами. Таким образом, единица измерения генетического расстояния получила название «сантиморган», значение в 1 сантиморган приравнивается к частоте кроссинговера равной 1 % [5].
Генетическая карта хромосомы была впервые получена для чернобрюхой дрозофилы, а впоследствии проведено картирование для других видов. Так, впервые генетическая карта хромосом курицы была составлена отечественными учеными и Результаты данного исследования были опубликованы в 1930 году.
Результатами многочисленных исследований, посвященных изучению различных видов, стало подтверждение теории о том, что каждая отдельная хромосома является одной группой сцепления. В свою очередь, число групп сцепления у каждого вида полностью соответствует гаплоидному числу хромосом. По мнению ряда исследователей, данное обстоятельство доказывает, что именно хромосомы являются материальными носителями генетической информации [5, 9].
С целью установления принадлежности конкретного гена к определенной группе сцепления проводят скрещивание, по результатам которого определяют характер наследования данного гена по отношению к другим генам при условии, что принадлежность этих генов к группе сцепления уже была ранее определена. Для примера можно привести определение принадлежности гена кукурузы к одной из десяти групп сцепления. Для этого нужно растения, обладающие изучаемым геном, скрестить с десятью растениями поочередно, причем каждое из данных растений должно нести рецессивные гены, которые будут принадлежать к разным группам сцепления. Учитывая, что исследуемый ген принадлежит только к одной из групп сцепления, с генами остальных девяти групп он проявит независимое наследование и расщепление в F2 9:3:3:1. И лишь с геном одной группы исследуемый ген обнаружит сцепление, которое проявится расщеплением 2:1:1. Но наиболее часто результатом кроссинговера будет образование четырех генотипических классов с преобладанием форм, характерных для родительского поколения. С помощью описанного выше способа определяют группы сцепления аутосомных генов. Соответственно, для идентификации принадлежности гена к половой хромосоме выполняют обнаружение наследования сцепленных с полом признаков.
Локализацию новых генов определить легче у видов, обладающих большим числом генов и групп сцепления, к которым данные гены принадлежат. Определение местоположения гена проводится путем учета результатов кроссинговера. Для точной локализации гена в хромосоме необходимо обладать информацией о частоте его перекреста с двумя другими генами, а также о взаимном перекресте этих двух генов. Устанавливая расположение генов по отношению друг к другу в пределах одной группы сцепления, можно схематически отобразить структуру расположения генов в хромосоме и расстояния между ними. С помощью описанного метода происходит построение генетической карты хромосомы. Для осуществления генетического картирования необходимо изучить большое число мутантных генов [1, 3].
В настоящее время проведено генетическое картирование различных видов. Так, наиболее подробно исследованы генетические особенности дрозофилы. По данным составления генетических карт ее хромосом определено местоположение приблизительно 500 генов в 4 группах сцепления. При генетическом картировании кукурузы локализовано 400 генов в 10 группах сцепления. Также наиболее подробно составлены генетические карты хромосом нейроспоры.
Необходимо отметить, что, несмотря на достижения современной генетики, для большинства высших организмов расположение генов определено в гораздо меньшей степени, причем, генетические карты для них составлены только на некоторые хромосомы. Например, из 23 пар человеческих хромосом выявлено лишь 10 групп сцепления с незначительным числом генов в каждой из данных групп. У курицы из 39 пар хромосом известно только 8 групп сцепления.
Построение генетических карт выполняют для каждой пары гомологичных хромосом. При этом каждой паре присваивается свой номер, а группы сцепления нумеруют в порядке их обнаружения. Помимо порядкового номера для каждой группы сцепления указывают название генов (полное или сокращенное), расстояние этих генов от одного из концов хромосомы (в единицах перекреста), а также местоположение центромеры. При этом генетическая активность хромосомы не всегда напрямую зависит от ее длинны. С целью обозначения места расположения гена в хромосоме или на ее карте применяют термин «локус» [1, 4].
В заключении необходимо отметить, что в настоящее время составление генетических карт хромосом человека широко применяется в современной медицине при диагностике многих тяжелых наследственных заболеваний.
1.3.Причины мутирования генов.
Важные открытия современной фундаментальной генетики связаны со способностью генов перестраиваться. Подобная перестройка генов получила название мутации.
Мутации генов связаны с нарушениями последовательности нуклеотидов. В настоящее время исследователи выявили основные факторы, приводящие к мутациям, которые получили название «мутагены». Мутации непосредственно связаны с условиями, в которых находится организм. Такими условиями могут быть: питание, температурный режим или действие таких факторов, как ряд химических веществ или радиоактивные элементы. Наиболее опасным мутагеном в настоящий момент считаются вирусы.
Действия мутаций на организм могут быть различными. По своим последствиям мутации бывают: летальными, сублетальными, нейтральными или витальными. Летальные мутации приводят к неминуемой гибели организма. Гибель организма происходит при наличии любых летальных генов на всех этапах своего развития. Наиболее часто губительное воздействие таких генов является рецессивным, то есть проявляется лишь тогда, когда они находятся в гомозиготном состоянии. При этом организм гибнет, не оставляя потомства, если возникшая мутация обладает доминирующим летальным действием [1].
Сублетальные гены воздействуют на жизнеспособность организма, уменьшая ее. Нейтральные гены не влияют на жизненные функции организма, а витальные мутации – полезны для него.
Кроме этого, существует разделение на спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные мутации имеют свойство проявляться в течение всей жизни в нормальных условиях окружающей среды. Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате различных мутаций в искусственных условиях или при неблагоприятных условиях окружающей среды.
Мутации возникают постоянно, что связано с непрерывностью процессов, происходящих в клетке. Основными явлениями, приводящими к возникновению мутаций, считаются нарушения репарации ДНК при репликации, транскрипции, а также генетическая рекомбинация.
В настоящее время выявлена прямая связь мутаций генов с репликацией ДНК. Так, известно, что большинство случайных химических изменений нуклеотидов приводят к мутациям, возникающим при репликации ДНК. Учеными установлено, что одной из основных причин тромбофилии является так называемая Лейденская мутация гена V фактора свертывания крови, суть которой состоит в замене нуклеотида гуанина на нуклеотид аденин в позиции 1691. Вследствие чего происходит замена аминокислоты аргинина на аминокислоту глутамин в позиции 506 в белковой цепи, которая является продуктом данного гена. Описанная мутация принимает участие в патогенезе острого тромбоза глубоких вен нижних конечностей [6, 7].
Учеными-генетиками выявлена связь генных мутаций с рекомбинацией ДНК. Так, к мутациям зачастую приводит неравный кроссинговер. Он происходит обычно при условии, что в хромосоме имеются несколько дуплицированных копий исходного гена, которые сохранили сходную последовательность нуклеотидов. Таким образом, результатом неравного кроссинговера в одной из рекомбинантных хромосом становится дупликация, а в другой - делеция.
Также имеется непосредственная связь мутаций генов с репарацией ДНК. Известно, что спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто. Для устранения последствий, наносимы подобными повреждениями имеются специальные репарационные механизмы. Мутации зачастую возникают именно тогда, когда репарационный механизм по различным причинам не срабатывает или не справляется с устранением повреждений. Нарушения репарации ДНК приводят к тяжелому наследственному заболеванию, получившему название «прогерия».
Генные мутации, связанные с репарацией ДНК, являются причиной многократного изменения частоты мутирования других генов. Ф. Ханавальт и Д. Петиджон еще в 1964 году доказали, что мутации генов ряда ферментов системы эксцизионной репарации ведут к значительному повышению частоты соматических мутаций в организме человека, а это, в свою очередь, является причиной развития пигментной ксеродермы и злокачественных новообразования кожи [2, 6].
Факторы окружающей среды, приводящие к возникновении мутаций генов на данный момент досконально изучены. В настоящее время исследователи разделяют причинные факторы на три основные группы: химические, физические и биологические. К физическим факторам традиционно относят ионизирующее излучение, ультрафиолетовое солнечное излучение, а также радиационный фон земли. К химическим мутагенам причисляют такие вещества, как иприт, пестициды, консерванты и другие. Биологическими факторами являются разнообразные вирусы и бактерии. Естественными антимутагенными механизмами организма являются: кодирование аминокислоты несколькими кодонами, удаление поврежденного участка ДНК ферментами, двойная спираль ДНК и репаративные надстройки.
Транспозиционная активность мобильных генетических элементов (МГЭ), присутствующих в геноме большинства организмов, является одной из основных причин возникновения спонтанных мутаций. Исследование первичной последовательности МГЭ показало, что в их структуре присутствует значительное количество регуляторных сайтов и сигнальных последовательностей, а это значит, что МГЭ способны интенсивно влиять на функционирование гена, не повреждая значительно его структуру.
Мутационные изменения появляются значительно раньше изменения условий окружающей среды, что отличает их от модификационной изменчивости, которая полностью зависит от условий среды и интенсивности их воздействия.
Выделяют три группы изменений структуры ДНК, образующей ген. Около 20% составляют мутации первой группы, сущность которых заключается в замене одних оснований на другие. Вторая группа мутаций представляет собой изменение количества нуклеотидных пар в гене и сдвиг рамки считывания. Третья группа мутаций заключается в инверсиии нуклеотидных последовательностей в пределах определенного гена [1, 7].
Кроме того, существует отдельная группа мутаций - точечные мутации. Их отличительной чертой является то, что одно азотистое основание заменяет другое. Нужно отметить, что подобные мутации способны возникать в результате спонтанных мутаций, которые происходят во время репликации ДНК. Кроме того, точечные мутации могут являться следствием воздействия на организм внешних факторов, таких как ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, высокая температура или химическое вещество. Также этот вид мутаций возникает при синтезе молекулы ДНК, в структуре которой имеются повреждения.
Исследователи полагают, что основной причиной возникновения мутаций замены оснований являются спорадические ошибки ДНК-полимераз. Американские биологи Д. Уотсон и Ф. Крик объяснили этот феномен тем, что при соприкосновении молекулы ДНК с молекулами воды возможно изменение таутомерных состояний оснований ДНК. Они считали, что одной из основных причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина [1, 2].
Таким образом, можно утверждать, что причины мутаций до конца не выяснены и по сей день, но, вместе с тем, необходимо сказать, что современная генетика вплотную подошла к решению вопроса изменения генной информации.
Генетическая роль ДНК и РНК. Типы, строение, функции.
Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимерные химические вещества, содержащие информацию о структуре белковых молекул, управлении их синтезом или выполняющие самостоятельные функции, связанные с передачей наследственной информации.
В природе существуют два вида нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Различие в их названиях связано с тем, что в молекуле ДНК содержится пятиуглеродный сахар дезоксирибоза, а в молекула РНК – рибоза. На данный момент известно большое число разновидностей ДНК и РНК, которые отличаются друг от друга по строению и значению для метаболизма. 99 % всей ДНК клетки локализуется в хромосомах клеточного ядра, а 1 % - в митохондриях и хлоропластах. РНК входит в состав клеточного ядра, а также рибосом, цитоплазмы, пластид и митохондрий.
ДНК и РНК состоят из нуклеотидов, являющихся фосфорными эфирами нуклеозидов - связанных с сахаром дезоксирибозой или рибозой азотистых оснований: аденозина (А), гуанидина (Г), тимидина (Т), уридина (У) и цитидина (Ц). Азотистые основания являются гетероциклическими органическими соединениями. Различают производные пурина – аденин и гуанин, и производные пиримидина - тимин, урацил, цитозин. Комплементарность пар АТ (АУ) и ГЦ связана с наличием двух или, соответственно, трех водородных связей. В одной цепи нуклеотиды связаны с помощью образования сахарофосфатной ковалентной связи. При этом комплементарные цепи ориентированы в противоположных направлениях, то есть являются антипараллельными по отношению друг к другу [2].
Все живые организмы, за исключением ряда вирусов, имеют спиральную вторичную структуру ДНК. При этом структурные сахарофосфаты находятся снаружи, а азотистые основания – внутри.
Из возможности образования пар аденина с тимином или урацилом, а гуанина с цитозином, следует принцип комплеметарности, из которого вытекает правило Чаргаффа. Данное правило гласит, что количество аденина соответствует количеству тимина, а, в свою очередь, количество гуанина равно количеству цитозина. Кроме этого, количество пуринов соответствует количеству пиримидинов, количество оснований с шестью аминогруппами равно количеству оснований с шестью кетогруппами.
Говоря о РНК, необходимо отметить, что существуют несколько ее типов, обладающих различиями вторичных и третичных структур. Ряд из типов РНК имеют наибольшее биологическое значение: матричная (или информационная) РНК (мРНК), рибосомная РНК (рРНК), транспортная РНК (тРНК), малая ядерная (мяРНК), а также малая интерферирующая РНК [4, 8].
Рассмотрим данные типы РНК по отдельност и. Отличительной особенностью мРНК является то, что она комплементарна кодирующим последовательностям ДНК, мРНК содержит информацию об аминокислотной последовательности своего белкового продукта. Считывание мРНК происходит в процессе трансляции (синтеза белка на основе мРНК). Каждой из 20 универсальных для всех живых организмов аминокислот соответствует комплекс из трех триплет-нуклеотидов, получивших название кодон. При этом одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. В данном феномене заключается вырожденность генетического кода. Не все кодоны кодируют аминокислоты. Так, на трех кодонах синтез белка останавливается. Эти кодоны получили название стоп-кодонов или нонсенс-кодонов. Кроме транслируемой области, содержащей кодоны, мРНК имеет нетранслируемые области, регулирующие ее молекулярную стабильность и интенсивность считывания. Молекулы мРНК могут иметь двухцепочечные участки (так называемые шпильки и псевдоузлы), которые принимают участие в регуляции трансляции.
Рибосомная РНК выполняет каталитическую функцию при образовании пептидных связей между аминокислотными остатками в процессе трансляции и входит в состав рибосом. Малая частица рибосомы эукариот представляет собой рибонуклеопротеиновый комплекс на основе субъединицы РНК с константой седиментации (то есть скорости осаждения при центрифугировании) 40S, где S – это единица Сведборга. Основой большой частицы рибосомы является субъединица 60S, состоящая из трех молекул рРНК. Рибосомная РНК составляет приблизительно 70 % от общего количества РНК в клетке. Митохондрии имеют свои особые рибосомы, которые состоят из 30S и 50S субъединиц. Подобную же структуру имеют бактериальные рибосомы.
Транспортная РНК обладает вторичной структурой, напоминающей по виду лист клевера. На центральной петле тРНК находится антикодон, представляющей собой триплет, комплементарный кодону соответствующей молекуле тРНК аминокислоты. Аминокислота прикрепляется к противоположному концу молекулы тРНК.
Малая ядерная РНК представляет собой молекулы с высоким содержанием уридина, длина которых составляет от 100 до 300 нуклеотидов, входящих в состав небольших рибонуклеопротеиновых гранул ядра. Функция этого типа РНК заключается в том, что она участвует в созревании молекул мРНК.
Малая интерферирующая РНК представлена короткими двухцепочечными молекулами, состоящими из 20–25 нуклеотидов. РНК данного типа связываются с отдельными мРНК по принципу комплементарности и могут подавлять синтез определенных белков и приводит молекулу мРНК к деградации. Именно в этом заключается явление интерференции РНК. Особое значение этот тип РНК имеет для индивидуального развития организмов [1, 2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основы генетики [Электронный ресурс]: учебное пособие/ — Электрон. текстовые данные.— Комсомольск-на-Амуре: Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет, 2012.— 145 c Основы генетики [Электронный ресурс]: учебное пособие/ , , — Электрон. текстовые данные.— М.: Московский городской педагогический университет, 2010.— 240 c. Генетика [Электронный ресурс]: энциклопедический словарь/ , , — Электрон. текстовые данные.— Минск: Белорусская наука, 2011.— 992 c.— Режим доступа: Основы генетики [Электронный ресурс]: учебное пособие/ — Электрон. текстовые данные.— М.: ПАРАДИГМА, 2009.— 270 c. Заря генетики человека. Русское евгеническое движение и начало генетики человека [Электронный ресурс]: монография/ — Электрон. текстовые данные.— М.: Прогресс-Традиция, 2008.— 800 c. Общая и молекулярная генетика [Электронный ресурс]: учебное пособие для вузов/ — Электрон. текстовые данные.— Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2007.— 479 c. , Тесты и задачи по биологии с экологией. Бишкек, 2012. – 180 с. Биология с экологией: Учебное пособие, ч.1-2. Бишкек, 2010. – 312 с. Генетика гениальности: Биосоциальные механизмы и факторы наивысшей интеллектуальности. 4-е изд.-М.:АНО Журнал "Экология и жизнь", 2008.
